WO2023059110A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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WO2023059110A1
WO2023059110A1 PCT/KR2022/015061 KR2022015061W WO2023059110A1 WO 2023059110 A1 WO2023059110 A1 WO 2023059110A1 KR 2022015061 W KR2022015061 W KR 2022015061W WO 2023059110 A1 WO2023059110 A1 WO 2023059110A1
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battery
irregularities
present
module
battery module
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PCT/KR2022/015061
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장성환
성준엽
박명기
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Priority to JP2023552239A priority patent/JP2024509126A/ja
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery, and more particularly, to a battery module having improved heat dissipation performance, a battery pack including the battery module, and an automobile.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with such a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator therebetween, and an exterior material that seals and houses the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • lithium secondary batteries can be 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 of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of an exterior material.
  • a plurality of these secondary batteries may constitute one battery module in a form in which a plurality of them are stored together in a module case in a state in which they are electrically connected.
  • a plurality of such battery modules may be connected to form one battery pack.
  • the secondary battery used in the battery module or battery pack may deteriorate performance when used in an environment higher than the proper temperature, and in severe cases, there is a risk of explosion or ignition.
  • a battery module is configured using a plurality of secondary batteries, heat from the plurality of secondary batteries is summed up in a small space, so that the temperature of the battery module may rise more rapidly and severely.
  • heat may be applied from the outside, such as direct sunlight or high temperature. Therefore, in the battery module, temperature control, in particular, cooling the battery pack when the temperature of the battery pack increases is very important.
  • some of the battery cells (secondary batteries) included in the battery module may generate heat due to an abnormal situation.
  • this heat generation continuously increases the temperature of the battery, and when it exceeds a predetermined critical temperature, it may proceed to a thermal runaway state.
  • a situation in which the thermal runaway situation propagates to other battery cells or other battery modules may also proceed. If this heat generation or thermal runaway situation is not properly controlled, the safety of the battery module or battery pack, furthermore, a device equipped with such a battery, such as a vehicle or an energy storage system, or a user using such a device is threatened.
  • an object of the present invention is to provide a battery module with improved heat dissipation performance so that the heat of the battery module can be properly controlled, a battery pack including the same, and a vehicle. .
  • a battery module for achieving the above object includes a cell assembly having a plurality of battery cells stacked in at least one direction; and a module case accommodating the cell assembly in an internal space and having irregularities formed on at least a portion of an internal surface in a direction not parallel to the stacking direction of the battery cells.
  • the plurality of battery cells may be stacked in a left-right direction, and the irregularities of the module case may be formed in a front-back direction.
  • the battery module according to the present invention may further include a thermal resin interposed between the cell assembly and the inner surface on which the module case has irregularities.
  • the module case may include a top plate, a base plate, and a side plate, and the irregularities may be formed on the base plate.
  • the unevenness may be additionally formed on at least one of the top plate and the side plate.
  • irregularities may be formed on at least a portion of an outer surface of the module case.
  • the module case may be configured to have a difference in surface area of the irregularities from the inside to the outside.
  • the module case may be configured such that a top plate and a base plate each have irregularities, and the irregularities formed on the top plate and the irregularities formed on the base plate have different shapes.
  • a battery pack according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • a vehicle according to another aspect of the present invention for achieving the above object includes a battery module according to the present invention.
  • a battery module having improved heat dissipation and cooling performance may be provided.
  • a thermal resin may be interposed between the module case and the cell assembly, and in this case, the amount of thermal resin used may be reduced.
  • the contact area between the cell assembly and the thermal resin can be increased. Accordingly, by reducing the amount of thermal resin used while improving heat dissipation performance, a battery module with reduced cost and excellent economic feasibility can be provided.
  • the present invention may have various other effects, which will be described in each implementation configuration, or descriptions of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a combined perspective view schematically showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing some configurations of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view schematically illustrating some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10 and 11 are exploded perspective views and cross-sectional views schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a combined perspective view schematically illustrating the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1
  • 3 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 can be said to be a view showing a part of the configuration of a cross section taken along line A1-A1' in FIG. 1 .
  • the battery module according to the present invention includes a cell assembly 100 and a module case 200.
  • the cell assembly 100 may include one or more battery cells 110 , particularly a plurality of battery cells 110 .
  • each battery cell 110 may mean a secondary battery.
  • a secondary battery may include an electrode assembly, an electrolyte, and a battery case.
  • the battery cell 110 included in the cell assembly 100 may be a pouch type secondary battery.
  • other types of secondary batteries such as cylindrical batteries or prismatic batteries, may also be employed in the cell assembly 100 of the present invention.
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in at least one direction to form the cell assembly 100 .
  • a plurality of secondary batteries may be stacked side by side in a horizontal direction (Y-axis direction in the drawing) in a state where each is erected in a vertical direction (Z-axis direction in the drawing).
  • each of the battery cells 110 may be configured in a form in which wide housing surfaces are disposed in the left and right directions, respectively.
  • each battery cell 110 may include an electrode lead 111, and the electrode lead 111 may be located at both ends or at one end of each battery cell 110.
  • a secondary battery in which the electrode lead 111 protrudes in both directions is referred to as a bidirectional cell
  • a secondary battery in which the electrode lead 111 protrudes in one direction may be referred to as a unidirectional cell.
  • the electrode leads 111 are shown in the form of bidirectional cells respectively located on the front and rear sides of the battery cell 110 .
  • the present invention is not limited by the specific type or form of the secondary battery, and various types of secondary batteries known at the time of filing the present invention may be employed in the cell assembly 100 of the present invention.
  • the module case 200 may be configured to have an inner space to accommodate the cell assembly 100 in the inner space.
  • the module case 200 may include a plurality of plates (frames), and the internal space may be limited in a state in which the plurality of plates are coupled to each other.
  • the cell assembly 100 can be accommodated in the inner space defined by each plate of the module case 200 as described above.
  • the module case 200 may cover the outside of the cell assembly 100 in various directions such as up, down, front, back, left, and right.
  • the module case 200 may have irregularities formed on at least a portion of an inner surface.
  • the module case 200 may have irregularities formed on all or part of a bottom portion facing the lower portion of the cell assembly 100 .
  • the unevenness (G) may include a convex portion formed convexly inward of the battery module and a concave portion formed concavely formed in an outward direction of the battery module. That is, the unevenness (G) may be formed in a form in which the convex portion and the concave portion are intersected.
  • the irregularities G in the module case 200 may be formed in a wave shape.
  • the irregularities (G) may be formed in a curved shape in which the convex portion and the concave portion are each formed in a curved shape, and the convex portion and the concave portion are intersected and disposed in succession to each other.
  • the direction of the irregularities may be formed in a direction that is not parallel to the stacking direction of the battery cells 110 .
  • the irregularities of the module case 200 are not formed in the Y-axis direction, but in the other direction, that is, It may be formed in a direction inclined at a predetermined angle with respect to the Y-axis direction.
  • heat dissipation efficiency of the cell assembly 100 through the module case 200 may be improved by the irregularities formed on the inner surface of the module case 200 . That is, according to the above embodiment, the internal surface area of the module case 200 is expanded at the portion where the unevenness is formed, so that the heat transfer performance between the cell assembly 100 and the module case 200 can be increased.
  • each battery cell 110 may come into contact with a plurality of irregularities.
  • a lower portion of one battery cell 110 may be disposed to face a plurality of convex portions and a plurality of concave portions formed in the module case 200 .
  • each battery cell 110 can be further increased. That is, since each battery cell 110 included in the cell assembly 100 comes in contact with a plurality of convex portions and a plurality of concave portions of the module case 200, the module case 200 of each battery cell 110 Through this, heat dissipation efficiency can be further improved.
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in a left-right direction (Y-axis direction).
  • the irregularities of the module case 200 may be formed in the front-back direction (X-axis direction). More specifically, referring to the bar shown in FIG. 3 , the irregularities of the module case 200 may be formed in a form in which convex portions and concave portions are repeatedly disposed in the X-axis direction, which is the front-back direction. In the case of this configuration, it can be said that the uneven formation direction of the module case 200 is formed in a direction perpendicular to the stacking direction of the plurality of battery cells 110 .
  • each battery cell 110 may be opposed to a large number of irregularities. Accordingly, heat dissipation performance through the module case 200 , in particular, heat dissipation performance through the uneven portion of the module case 200 may be further increased.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the battery module according to the present invention may further include a thermal resin 300 .
  • the thermal resin 300 may be interposed between the module case 200 and the cell assembly 100 .
  • irregularities may be formed in the module case 200 , and the thermal resin 300 may be positioned on an inner surface side of a portion having such irregularities in the module case 200 . Accordingly, the thermal resin 300 may be interposed between at least the uneven portion of the module case 200 and the cell assembly 100 .
  • the thermal resin 300 is a component capable of transferring heat between the battery cell 110 and the module case 200, and various types of heat conduction materials known at the time of filing of the present invention may be employed. That is, the battery module according to the present invention is not limited by the specific type of the thermal resin 300.
  • the thermal resin 300 may be injected or applied between the battery cell 110 and the module case 200 in a fluid state, and fixed at a corresponding position by curing.
  • the thermal resin 300 may include an adhesive material.
  • the thermal resin 300 may be implemented as a thermally conductive adhesive.
  • the thermal resin 300 When the thermal resin 300 is interposed between the module case 200 and the cell assembly 100 , heat dissipation efficiency of the cell assembly 100 through the module case 200 may be improved.
  • the thermal resin 300 may be located on the uneven portion. In this case, the amount of thermal resin 300 used may be reduced. In particular, since a smaller amount of the thermal resin 300 is interposed in the portion where the convex portion is formed in the unevenness, the amount of the thermal resin 300 used may be reduced. Therefore, according to this aspect of the present invention, it is possible to reduce the manufacturing cost of the battery module by reducing the material cost.
  • the module case 200 may include a top plate 210 , a base plate 220 and a side plate 230 .
  • the module case 200 defines an internal space by each of these components, that is, the top plate 210, the base plate 220, and the side plate 230, so that the cell assembly 100 is installed in the internal space.
  • the top plate 210 may be located at an upper portion of the module case 200
  • the base plate 220 may be disposed at a lower portion of the top plate 210 and spaced apart from the top plate 210 by a predetermined distance.
  • the side plate 230 may be disposed between the top plate 210 and the base plate 220 in a form in which an upper end and a lower end are respectively connected.
  • the top plate 210, the base plate 220, and/or the side plate 230 may be configured in the form of a thin sheet, that is, in the form of a plate, but may be configured in the form of a polyhedron having a thickness of a certain level or more, such as a rectangular parallelepiped. there is.
  • the side plate 230 may include a left plate 231 , a right plate 232 , a front plate 233 and a rear plate 234 . All or part of the top plate 210, the base plate 220 and/or the side plate 230 may be made of a metal material. Also, at least some of them may be made of a plastic material.
  • the left plate 231, the right plate 232, the top plate 210, and the base plate 220 may be made of steel.
  • the front plate 233 and the rear plate 234 may be made of a plastic material.
  • the top plate 210 , the base plate 220 and the side plate 230 may be integrated with each other.
  • the left plate 231 and the right plate 232 may be integrated with the base plate 220 .
  • the left plate 231, the right plate 232, and the base plate 220, which are integrated with each other may be referred to as a term such as a U-frame due to their shapes.
  • the front plate 233 and the rear plate 234 are end plates, and may be coupled to openings at the front and rear ends of the U-frame, respectively.
  • the top plate 210 may be coupled to the upper open portion of the U-frame.
  • the module case 200 may be configured in various other forms.
  • the base plate 220 and the four side plates 230 may constitute a lower case in an integrated form, that is, in a box form.
  • the top plate 210 may be coupled to the top opening of the box-shaped lower case.
  • the base plate 220, the left plate 231, the right plate 232, and the top plate 210 may be formed in a tubular shape integrated with each other. In this case, the tubular case may be referred to as a mono frame.
  • the assembly process In the corner portion may be combined.
  • various coupling methods may be employed for a configuration that is not manufactured in an integrated form in the module case 200 but coupled during the assembly process of the battery module.
  • the top plate 210, the front plate 233, and the rear plate 234 may be coupled to the U-frame through laser welding or ultrasonic welding.
  • each component of the module case 200 may be coupled to each other through a bolt fastening method or the like.
  • irregularities may be formed on the base plate 220 . That is, as shown in FIGS. 2 and 3 , irregularities may be formed on the upper surface of the base plate 220 on which the cell assembly 100 is seated.
  • the part closest to the cell assembly 100 is the base plate 220. Accordingly, when irregularities are formed on the inner surface of the base plate 220, the heat dissipation effect of the cell assembly 100 may be further enhanced through the irregularities.
  • this implementation configuration of the present invention may be better when applied to a device in which a heat dissipation path is disposed below a battery module.
  • a cooling component for example, a refrigerant pipe
  • a better heat dissipation effect may be obtained if irregularities are formed on the inner surface of the base plate 220 .
  • irregularities may be formed on a plurality of different side surfaces of the module case 200 .
  • the irregularities may be additionally formed on at least one of the top plate 210 and the side plate 230 in addition to the base plate 220 . This will be described with additional reference to FIG. 5 .
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a battery module according to another embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 5 may be referred to as a view showing some configurations as another form of cross-sectional configuration along the line A1-A1' in FIG. 1 . In particular, in FIG. 5, the front plate 233 and the back plate 234 are not shown.
  • irregularities may be formed on both the upper surface of the base plate 220 and the lower surface of the top plate 210 .
  • one battery cell 110 may come into contact with a plurality of irregularities on the upper and lower portions, respectively.
  • heat dissipation performance of a plurality of side surfaces of the cell assembly 100 in particular, both of the upper and lower portions may be improved.
  • a dual cooling method in which both upper and lower portions of the battery module are cooled may be used.
  • the adoption possibility of the dual cooling method may be further increased.
  • the cooling performance of the dual cooling method may be further improved.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 may be referred to as another modified embodiment of the configuration of FIG. 3 .
  • irregularities may be formed on at least a portion of an outer surface of the module case 200 .
  • the base plate 220 may have irregularities formed on both upper and lower surfaces.
  • the module case 200 that is, the base plate 220
  • a cooling configuration may be disposed outside the battery module.
  • This cooling configuration may be a battery pack or a cooling pipe provided in a device to which the battery pack is mounted, such as an automobile.
  • the heat of the cell assembly 100 can be more quickly and smoothly discharged to the cooling configuration (C) through the irregularities formed on both sides of the base plate 220, that is, the module case 200.
  • a thermal interface material may be interposed between the outer surface of the base plate 220 and the cooling element C, as indicated by T in FIG. 6 .
  • a heat transfer material may be filled in irregularities formed on the outer surface of the base plate 220 .
  • the cooling efficiency of the base plate 220 may be further improved by increasing the contact area between the heat transfer material and the base plate 220 .
  • irregularities in the module case 200 may not be formed uniformly as a whole, but may have different shapes in parts. This will be described in more detail with reference to FIG. 7 .
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 may be regarded as another modified example of the configuration of FIG. 3 .
  • the module case 200 may be configured to have a difference in surface area of irregularities from the inside to the outside.
  • the central portion indicated by D2 is the inner portion
  • the edge portions indicated by D1 and D3 are the outer portion.
  • at least two of the portions indicated by D1, D2, and D3 may have different irregularities, particularly surface areas.
  • the depth of the irregularities may be deepened or the distance between convex parts of the irregularities may be shortened.
  • the surface area of the irregularities can be increased by increasing the amplitude of the wave or shortening the wavelength of the wave.
  • the present invention it is possible to ensure more appropriate heat dissipation performance according to the difference in the concavo-convex shape of each part formed on the base plate 220, that is, the module case 200.
  • the heat emission of the cell assembly 100 may vary depending on its location. Therefore, as in the above embodiment, when the uneven shape of the module case 200 is partially changed, it is possible to adaptively cope with the difference in discharge amount. Therefore, in this case, more efficient or uniform heat dissipation may be possible.
  • the battery cell 110 may dissipate heat during charging and discharging, and there may be a difference in heat dissipation for each part.
  • more heat may be generated and discharged at a portion where the electrode lead 111 is located.
  • irregularities of an outer portion close to the electrode lead 111 may have a larger surface area than other portions.
  • the outer portion i.e., the edge portion, may have deeper and more irregularities than the central portion indicated by D2.
  • the central portion indicated by D2 it may be configured in a form with almost no irregularities and only convex portions.
  • the heat absorption amount or heat absorption rate of the side surface where the electrode lead 111 is located in the module case 200 can be formed higher than that of other parts. Therefore, even if a relatively large amount of heat is discharged from the portion where the electrode lead 111 is located in the battery cell 110, the module case 200 also absorbs more heat, so that the temperature of the battery cell 110 as a whole is increased. can be made uniform.
  • the amount of the thermal resin 300 in the central portion as indicated by D2 can be reduced. That is, in the case of the portion indicated by D2, since the concave portion is hardly formed and the convex portion is mainly formed widely, the gap between the battery cell 110 and the base plate 220 may be zero or reduced. Accordingly, the amount of the thermal resin 300 interposed between the base plate 220 and the battery cell 110 may be reduced in this portion.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 can be regarded as a modified example of the configuration of FIG. 5 .
  • irregularities may be formed on each of the top plate 210 and the base plate 220 .
  • the irregularities formed on the top plate 210 and the irregularities formed on the base plate 220 may have different shapes.
  • the base plate 220 has irregularities uniformly formed in a horizontal direction (front-rear direction), which is the X-axis direction.
  • the top plate 210 is unevenly formed in the horizontal direction.
  • the concavo-convex surface area of the outer portion of the concavo-convex surface area formed on the top plate 210 may be larger than that of the inner portion, similar to the base plate 220 of FIG. 7 . That is, in FIG.
  • the top plate 210 may have deeper irregularities at the edge portion than at the center portion. Also, the edge portion of the top plate 210 may have more irregularities relative to the same horizontal distance than the center portion. In particular, in the case of the above embodiment, it can be said that the top plate 210 and the base plate 220 are formed in an asymmetrical shape rather than being symmetrical in the vertical direction.
  • a configuration that uniformly cools the entire battery cell 110 can be implemented more efficiently.
  • irregularities may be uniformly formed on the base plate 220 to absorb and release heat from the cell assembly 100 .
  • the temperature of the battery cell 110 may be partially non-uniform, and the top plate 210 may have a configuration for resolving such non-uniformity.
  • the uneven area on the outer side of the top plate 210 is relatively can be made larger.
  • the top plate 210 may absorb more heat at the electrode lead 111 side portion than at other portions. Accordingly, as a result of the summed cooling of the base plate 220 and the top plate 210 , the temperature of the entire battery cell 110 may be uniform.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view schematically illustrating some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • the side plate 230 is not shown.
  • irregularities are formed on both the base plate 220 and the top plate 210, and the directions of formation of the irregularities may be different from each other. That is, the top plate 210 may have irregularities in the direction of arrow F1, and the base plate 220 may have irregularities in the direction of arrow F2. Looking more specifically, the concavo-convex portion of the top plate 210 may be formed in a form in which convex portions and concave portions repeatedly intersect in the direction of the arrow F1. In addition, the irregularities of the base plate 220 may be formed in a form in which convex portions and concave portions repeatedly intersect in the direction of the arrow F2 . In particular, the uneven formation directions of the top plate 210 and the base plate 220 may be orthogonal to each other.
  • the top side cooling form and the bottom side cooling form may be made different. In this case, it may be advantageous to ensure uniform cooling performance of the cell assembly 100 as a whole. Moreover, when the unevenness of the base plate 220 and the top plate 210 is filled with the thermal resin 300, in one battery cell 110, the amount of resin contacting the upper side and the amount of the resin contacting the lower side this may vary. Accordingly, in one battery cell 110 , a problem in which cooling performance of a specific part is degraded may be reduced.
  • the concave part contacts the upper part of the corresponding part, so the amount of contact resin is small.
  • the amount of contact resin is reduced on both the upper and lower sides in a predetermined portion of one battery cell 110 may be reduced. Therefore, in this case, overall uniform cooling performance can be secured for each battery cell 110 .
  • a difference may occur between the upper heat dissipation form and the lower heat dissipation form of the cell assembly 100 .
  • the concave portion having a large contact surface area may be formed long in the F2 direction in the top plate 210 , and the concave portion may be formed long in the F1 direction in the base plate 220 .
  • more heat dissipation directions in the top plate 210 may be formed in the same direction as F2, and more heat dissipation directions in the base plate 220 may be formed in the F1 direction. Therefore, since a difference may occur in the form of heat dissipation at the top and bottom of the cell assembly 100, concentration of heat in a specific direction in the battery module may be reduced. Accordingly, cooling efficiency of the entire battery module may be improved.
  • FIG. 10 and 11 are exploded perspective views and cross-sectional views schematically showing some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional configuration along the line A2-A2' with respect to the coupling configuration of FIG. 10 .
  • the module case 200 may have fine protrusions.
  • These fine protrusions (J) may be formed in a convexly protruding form in an inner direction from the inner surface of the module case 200 .
  • the fine protrusions (J) may be provided in the portion where the irregularities (G) are formed in the module case 200 .
  • a plurality of fine protrusions (J) may be provided on the inner surface, that is, the upper surface of the base plate 220.
  • the fine protrusions J may be provided in multiple horizontal directions on the inner surface of the module case 200, that is, in the left-right direction (Y-axis direction) and in the front-back direction (X-axis direction). At this time, the fine protrusions (J) may have a significantly smaller size than the length of the module case (200).
  • the fine protrusions J may be formed in a circular shape having a diameter and a height of approximately 1 mm to 50 mm or less.
  • the contact area between the module case 200 and the cell assembly 100 can be further enlarged by the fine protrusions J together with the irregularities G. Accordingly, heat transfer efficiency and speed from the cell assembly 100 to the module case 200 are increased, and thus cooling performance of the battery module may be improved.
  • the thermal resin 300 is interposed between the cell assembly 100 and the module case 200, when the fine protrusions J are applied, the thermal resin 300 is applied to the surface of the module case 200. A lot of downward movement along the inclined surface due to the unevenness (G) can be suppressed. Accordingly, the thermal resin 300 may be evenly positioned in the portion where the irregularities G are formed.
  • the module case 200 may have concavo-convex portions G formed in such a manner that the convex portion G1 and the concave portion G2 are alternately positioned.
  • the fine protrusions (J) may be provided in the concave portion (G2) of the irregularities (G) of the module case 200.
  • the end of the fine protrusion (J) located in the concave portion (G2) may be configured to be located at a lower position than the convex portion (G1). That is, the fine protrusions J of the concave portion G2 may not be higher than the height of the convex portion G1.
  • the minute protrusions J located in the concave portion G2 may not directly contact the battery cell 100 . Therefore, when the battery cell 110 is seated on the inner surface of the module case 200, for example, the upper surface of the base plate 220, the seating process is hindered by the fine protrusions J or the battery cell 100 is damaged. problems can be prevented.
  • the fine projections (J) provided on one surface of the module case 200 may be partially configured to have different densities.
  • the degree of density may be expressed as the number or height of fine protrusions (J) compared to the same surface area of the module case 200 .
  • the plurality of fine protrusions J may have different densities in the stacking direction of the battery cells 110 .
  • the number or shape of the plurality of fine protrusions J is distributed in the left-right direction. may change.
  • the fine protrusions (J), on the basis of the stacking direction (Y-axis direction) of the battery cell 110, on at least a portion of the upper surface of the base plate 220, will be configured in a form in which the density increases toward the central portion.
  • the plurality of fine protrusions (J) may be configured such that the density decreases toward the outside of the battery cell 110 in the stacking direction.
  • the cooling performance of the battery cell 110 located in the central portion can be improved. Therefore, it is possible to prevent a problem in which the temperature of the battery cells 110 stacked in the center is relatively higher than that of the battery cells 110 stacked on the outside, thereby contributing to temperature uniformity of the entire cell assembly 100 .
  • the base plate 220 has been mainly described with the fine protrusions J, but the top plate 210 may also have the fine protrusions J. Also, when the top plate 210 is provided with the fine protrusions J, the above description of the fine protrusions J provided on the base plate 220 may be applied in the same or similar manner. This will be described in more detail with reference to the implementation configuration of FIG. 12 .
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of some configurations of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • fine protrusions J may be formed on the top plate 210 as well as the base plate 220 .
  • the fine protrusions J formed on the top plate 210 may have a different shape, size, or arrangement from the fine protrusions J formed on the base plate 220 .
  • fine protrusions J may be formed in the concave portion G2
  • the fine protrusions J may be formed in the convex portion G1 .
  • the convex portion G1 of the top plate 210 may be a portion formed convexly toward the cell assembly 100, that is, in the downward direction, in the concavo-convex configuration of the lower surface of the top plate 210.
  • the cell assembly 100 can be stored more stably inside the module case 200 .
  • the cell assembly 100 can directly contact the upper surface, and the fine protrusions J are formed in the concave portion G2, so that the flat portion of the convex portion G1 is the cell assembly. It can be stably contacted with the lower part of (100).
  • the space between the lower surface of the top plate 210 and the cell assembly 100 may have a somewhat spaced shape due to tolerance or the like.
  • the fine protrusions J may be positioned close to or directly contact the upper portion of the cell assembly 100 . Accordingly, the storage state of the battery cells 110, particularly, the storage state in which the battery cells 110 are erected vertically and stacked in the left-right direction can be more stably maintained. In this case, heat transfer efficiency between the cell assembly 100 and the module case 200, particularly the top plate 210, may be increased.
  • a battery pack according to the present invention may include one or more battery modules according to the present invention described above.
  • the battery pack according to the present invention includes various other components other than the battery module, such as components of the battery pack known at the time of filing of the present invention, such as BMS, bus bars, pack cases, relays, and current sensors. can include more.
  • the battery module according to the present invention can be applied to vehicles such as electric vehicles or hybrid vehicles. That is, the vehicle according to the present invention may include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention. In addition, the vehicle according to the present invention may further include various other components included in the vehicle in addition to the battery module or the battery pack. For example, a vehicle according to the present invention may further include a control device such as a vehicle body, a motor, and an electronic control unit (ECU), in addition to the battery module according to the present invention.
  • a control device such as a vehicle body, a motor, and an electronic control unit (ECU), in addition to the battery module according to the present invention.
  • ECU electronice control unit
  • the battery module according to the present invention may be applied to an energy storage system (ESS). That is, the energy storage system according to the present invention may include the battery module according to the present invention or the battery pack according to the present invention.
  • ESS energy storage system
  • 210 top plate
  • 220 base plate
  • 230 side plate

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈의 열이 적절하게 제어될 수 있도록 방열 성능이 향상된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 및 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하고, 내부 표면 중 적어도 일부에 상기 배터리 셀의 적층 방향과 평행하지 않은 방향으로 요철이 형성된 모듈 케이스를 포함한다.

Description

배터리 모듈
본 출원은 2021년 10월 6일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0132745호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방열 성능이 향상된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등에 관한 것이다.
노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 로봇, 전기 자동차 등의 상용화가 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 전기 자동차나 전력저장장치(Energy Storage System; ESS)와 같은 중대형 장치에도 구동용이나 에너지 저장용으로 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 이차 전지는 다수가 전기적으로 연결된 상태에서 모듈 케이스 내부에 함께 수납되는 형태로, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 배터리 모듈이 다수 연결되어 하나의 배터리 팩을 구성할 수 있다.
배터리 모듈이나 배터리 팩에 사용된 이차 전지는 적정 온도보다 높은 환경에서 사용되는 경우 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 더욱이, 다수의 이차 전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성할 때에는, 좁은 공간에서 다수의 이차 전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 모듈의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 또한, 자동차나 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 사용되는 배터리 모듈의 경우, 실외에 위치할 수 있으므로, 직사광선이나 높은 기온 등, 외부로부터 열이 가해질 수도 있다. 따라서, 배터리 모듈에 있어서, 온도 제어, 특히 배터리 팩의 온도 증가 시 배터리 팩을 냉각하는 것은 매우 중요한 일이라 할 수 있다.
또한, 배터리 모듈에 구비된 여러 배터리 셀(이차 전지) 중 일부 배터리 셀에서, 비정상적인 상황이 발생하여 발열이 생길 수 있다. 그리고, 이러한 발열은 배터리의 온도를 지속적으로 상승시켜, 소정의 임계 온도를 넘어서게 되면, 열 폭주(thermal runaway) 상태로 나아갈 수 있다. 또한, 열 폭주 상황이 다른 배터리 셀이나 다른 배터리 모듈로 전파되는 상황으로도 진행할 수 있다. 만일, 이러한 발열 내지 열 폭주 상황을 제대로 제어하지 못하면, 배터리 모듈이나 배터리 팩, 더 나아가 이러한 배터리가 장착된 장치, 이를테면 자동차나 에너지 저장 시스템, 또는 이러한 장치를 이용하는 사용자의 안전성을 위협하게 된다.
더욱이, 최근에는, 배터리의 용량이나 출력은 증가하였으나, 충전 시간 단축에 대한 요구는 더욱 늘어나고 있다. 따라서, 배터리에 대한 급속 충전 기술이 많이 이용되고 있는데, 급속 충전 진행 시 배터리에 대한 발열이 더욱 증가되는 문제가 있다. 따라서, 급속 충전 모드에서도 배터리의 발열이 적절하게 제어될 필요성이 제기되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 열이 적절하게 제어될 수 있도록 방열 성능이 향상된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 및 내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하고, 내부 표면 중 적어도 일부에 상기 배터리 셀의 적층 방향과 평행하지 않은 방향으로 요철이 형성된 모듈 케이스를 포함한다.
여기서, 상기 다수의 배터리 셀은 좌우 방향으로 적층되고, 상기 모듈 케이스의 요철은 전후 방향으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상기 모듈 케이스의 요철이 형성된 내부 표면과 상기 셀 어셈블리 사이에 개재된 써멀 레진을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는 탑 플레이트, 베이스 플레이트 및 사이드 플레이트를 구비하고, 상기 요철은 상기 베이스 플레이트에 형성될 수 있다.
또한, 상기 요철은, 상기 탑 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 추가로 형성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 외부 표면 중 적어도 일부에도 요철이 형성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 상기 요철의 표면적에 차이를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 탑 플레이트와 베이스 플레이트 각각에 요철이 형성되고, 상기 탑 플레이트에 형성된 요철과 상기 베이스 플레이트에 형성된 요철은 서로 다른 형태를 갖도록 구성될 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 방열 및 냉각 성능이 향상된 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
따라서, 배터리 모듈 내부에서 열이 발생하더라도, 내부의 열이 외부로 신속하게 배출됨으로써, 배터리 모듈 내부에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있다.
더욱이, 급속 충전 진행 시 배터리 셀로부터 더 많은 열이 방출될 수 있는데, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 모듈 케이스(모듈 프레임)를 통한 방열 성능이 증대될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈에 대하여 급속 충전 동작이 수행되더라도, 배터리 모듈의 온도가 급속하게 늘어나지 않고 열 관리가 적절하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스와 셀 어셈블리 사이에 써멀 레진(thermal resin)이 개재될 수 있는데, 이때 써멀 레진의 사용량이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리와 써멀 레진 사이의 접촉 면적이 증대될 수 있다. 따라서, 방열 성능은 향상시키면서도 써멀 레진의 사용량을 줄임으로써, 비용이 절감된 경제성이 우수한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이다.
도 2는, 도 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도 및 단면도이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈에 대한 분리 사시도이다. 또한, 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 3은, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면의 일부 구성을 나타내는 도면이라고 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100) 및 모듈 케이스(200)를 포함한다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 하나 이상의 배터리 셀(110), 특히 다수의 배터리 셀(110)을 구비할 수 있다. 여기서, 각각의 배터리 셀(110)은, 이차 전지를 의미할 수 있다. 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 전지 케이스를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에 구비된 배터리 셀(110)은, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 다만, 이차 전지의 다른 형태, 이를테면 원통형 전지나 각형 전지도 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
다수의 배터리 셀(110)은 적어도 일 방향으로 적층되어 셀 어셈블리(100)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 이차 전지는, 각각 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 세워진 상태에서 수평 방향(도면의 Y축 방향)으로 나란하게 배열된 형태로 적층될 수 있다. 이때, 각각의 배터리 셀(110)은, 넓은 수납부 표면이 좌측과 우측방향에 각각 배치되는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 각각의 배터리 셀(110)은, 전극 리드(111)를 구비할 수 있는데, 이러한 전극 리드(111)는, 각 배터리 셀(110)의 양 단부에 위치하거나 일 단부에 위치할 수 있다. 전극 리드(111)가 양방향으로 돌출된 이차 전지는 양방향 셀이라고 하고, 전극 리드(111)가 일방향으로 돌출된 이차 전지는 단방향 셀이라고 할 수 있다. 도 1 내지 도 3의 구성에서는, 전극 리드(111)가 배터리 셀(110)의 전방과 후방 측에 각각 위치한 양방향 셀 형태로 도시되어 있다. 다만, 본 발명은 이러한 이차 전지의 구체적인 종류나 형태에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 이차 전지가 본 발명의 셀 어셈블리(100)에 채용될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부 공간이 형성되어 셀 어셈블리(100)를 내부 공간에 수납하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈 케이스(200)는, 다수의 플레이트(프레임)를 구비하고, 이러한 다수의 플레이트들이 서로 결합된 상태에서 내부 공간이 한정되도록 구성될 수 있다. 그리고, 셀 어셈블리(100)는, 이와 같이 모듈 케이스(200)의 각 플레이트들에 의해 한정된 내부 공간에 수납될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200)는, 상, 하, 전, 후, 좌, 우 등 여러 방향에 대하여, 셀 어셈블리(100)의 외측을 커버할 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 내부 표면 중 적어도 일부에 요철이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에서 G로 표시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 하부와 대향하는 바닥 부분의 전부 또는 일부에 요철이 형성될 수 있다. 여기서, 요철(G)은, 배터리 모듈의 내측 방향으로 볼록하게 형성된 볼록부와 배터리 모듈의 외측 방향으로 오목하게 형성된 오목부를 구비할 수 있다. 즉, 요철(G)은 볼록부와 오목부가 교차하여 배치된 형태로 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 모듈 케이스(200)에서 요철(G)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이브(물결) 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 요철(G)은, 볼록부와 오목부가 각각 곡선 형태로 형성되고, 이러한 볼록부와 오목부가 교차하여 배치되되, 서로 연속적으로 존재하는 굴곡진 형태로 형성될 수 있다.
특히, 상기 요철의 방향은, 배터리 셀(110)의 적층 방향과 평행하지 않은 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3의 구성을 참조하면, 배터리 셀(110)의 적층 방향은 Y축 방향으로 형성된 반면, 모듈 케이스(200)의 요철은 Y축 방향으로 형성되지 않고 다른 방향, 즉 Y축 방향과는 소정 각도 기울어진 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)의 내부 표면에 형성된 요철에 의해, 모듈 케이스(200)를 통한 셀 어셈블리(100)의 방열 효율이 향상될 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에 의하면, 요철이 형성된 부분에서 모듈 케이스(200)의 내부 표면적이 확장됨으로써, 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이의 열전달 성능이 증가할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 모듈 케이스(200)의 요철이 배터리 셀(110)의 적층 방향과 다른 방향으로 형성됨으로써, 각 배터리 셀(110)마다 다수의 요철과 접할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 하나의 배터리 셀(110)의 하부는, 모듈 케이스(200)에 형성된 다수의 볼록부 및 다수의 오목부와 대향되게 배치될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성적 측면에 의하면, 각 배터리 셀(110)에 대한 방열 성능이 더욱 증대될 수 있다. 즉, 셀 어셈블리(100)에 포함된 각각의 배터리 셀(110)마다 모듈 케이스(200)의 다수의 볼록부 및 다수의 오목부와 접하게 되므로, 각 배터리 셀(110)의 모듈 케이스(200)를 통한 방열 효율이 더욱 향상될 수 있다.
특히, 도 2에 도시된 바를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 다수의 배터리 셀(110)은, 좌우 방향(Y축 방향)으로 적층될 수 있다. 이때, 모듈 케이스(200)의 요철은 전후 방향(X축 방향)으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바를 참조하면, 모듈 케이스(200)의 요철은, 전후 방향인 X축 방향으로, 볼록부와 오목부가 반복하여 배치된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 실시 구성의 경우, 모듈 케이스(200)의 요철 형성 방향은, 다수의 배터리 셀(110)의 적층 방향에 수직하는 방향으로 형성되어 있다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 각각의 배터리 셀(110)마다 많은 수의 요철과 대향될 수 있다. 따라서, 모듈 케이스(200)를 통한 방열 성능, 특히 모듈 케이스(200)에서 요철이 형성된 부분을 통한 방열 성능이 더욱 증대될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 본 실시예를 비롯하여 본 발명의 여러 실시예를 설명함에 있어서는, 다른 실시예들에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 써멀 레진(300)을 더 포함할 수 있다. 상기 써멀 레진(300)은, 모듈 케이스(200)와 셀 어셈블리(100) 사이에 개재될 수 있다. 특히, 앞서 설명한 바와 같이, 모듈 케이스(200)에는 요철이 형성될 수 있는데, 상기 써멀 레진(300)은 모듈 케이스(200)에서 이러한 요철이 형성된 부분의 내부 표면 측에 위치할 수 있다. 따라서, 써멀 레진(300)은, 적어도 모듈 케이스(200)의 요철이 형성된 부분과 셀 어셈블리(100) 사이에 개재될 수 있다.
상기 써멀 레진(300)은, 배터리 셀(110)과 모듈 케이스(200) 사이의 열을 전달할 수 있는 구성요소로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 열전도 물질이 채용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이러한 써멀 레진(300)의 구체적인 종류에 의해 한정되지 않는다. 특히, 상기 써멀 레진(300)은, 유동성이 있는 상태에서 배터리 셀(110)과 모듈 케이스(200) 사이에 주입되거나 도포되고, 경화에 의해 해당 위치에서 고정된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 써멀 레진(300)은, 접착성이 있는 물질을 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 써멀 레진(300)은, 열전도성 접착제로 구현될 수 있다.
모듈 케이스(200)와 셀 어셈블리(100) 사이에 써멀 레진(300)이 개재되는 경우, 모듈 케이스(200)를 통한 셀 어셈블리(100)의 방열 효율은 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 써멀 레진(300)은 요철이 형성된 부분에 위치할 수 있는데, 이 경우 써멀 레진(300)의 사용량이 감소할 수 있다. 특히, 요철에서 볼록부가 형성된 부분에는 보다 적은 양의 써멀 레진(300)이 개재되므로, 써멀 레진(300)의 사용량이 감소할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 재료 비용을 절감하여 배터리 모듈의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)를 구비할 수 있다. 그리고, 모듈 케이스(200)는, 이와 같은 각 구성요소, 즉 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230)에 의해 내부 공간을 한정하여, 내부 공간에 셀 어셈블리(100)를 수용할 수 있다. 여기서, 탑 플레이트(210)는 모듈 케이스(200)에서 상부에 위치하고, 베이스 플레이트(220)는 탑 플레이트(210)의 하부에서 탑 플레이트(210)와 소정 거리 이격된 형태로 배치될 수 있다. 또한, 사이드 플레이트(230)는, 탑 플레이트(210)와 베이스 플레이트(220) 사이에 상단과 하단이 각각 연결된 형태로 배치될 수 있다.
탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)는, 두께가 얇은 시트 형태, 즉 판상으로 구성될 수 있으나, 일정 수준 이상의 두께를 갖는 다면체, 이를테면 직육면체 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 사이드 플레이트(230)는, 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232), 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)를 구비할 수 있다. 이러한 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및/또는 사이드 플레이트(230)는 전체 또는 일부가, 금속 재질로 구성될 수 있다. 또한, 이들 중 적어도 일부는, 플라스틱 재질로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232), 탑 플레이트(210) 및 베이스 플레이트(220)는 스틸 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)는 플라스틱 재질로 구성될 수 있다.
탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220) 및 사이드 플레이트(230) 중 적어도 일부는 서로 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 사이드 플레이트(230) 중, 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232)는 베이스 플레이트(220)와 일체화된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 서로 일체화된 형태의 좌측 플레이트(231)와 우측 플레이트(232), 베이스 플레이트(220)는, 그 형태에 기인하여 U-프레임과 같은 용어로 지칭될 수도 있다. 이 경우, 전방 플레이트(233)와 후방 플레이트(234)는 엔드 플레이트로서, U-프레임의 전단과 후단의 개방부에 각각 결합될 수 있다. 그리고, 탑 플레이트(210)는, U-프레임의 상단 개방부에 결합될 수 있다.
다만, 이 밖에도 모듈 케이스(200)는 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)와 4개의 사이드 플레이트(230)는 서로 일체화된 형태, 즉 박스 형태로 하부 케이스를 구성할 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(210)는, 박스 형태의 하부 케이스의 상단 개방부에 결합될 수 있다. 다른 예로, 베이스 플레이트(220), 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232) 및 탑 플레이트(210)는 서로 일체화된 관 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 관 형태의 케이스는, 모노 프레임으로 지칭될 수도 있다. 또는, 탑 플레이트(210), 베이스 플레이트(220), 좌측 플레이트(231), 우측 플레이트(232), 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)는, 각각 분리된 형태로 제조된 후, 조립 과정에서 모서리 부분이 결합될 수도 있다.
한편, 모듈 케이스(200)에서 일체화된 형태로 제조되지 않고 배터리 모듈의 조립 과정에서 결합되는 구성에는, 다양한 결합 방식이 채용될 수 있다. 예를 들어, 탑 플레이트(210)와 전방 플레이트(233) 및 후방 플레이트(234)는, U-프레임과 레이저 용접 또는 초음파 용접 방식 등을 통해 결합될 수 있다. 또는, 이러한 모듈 케이스(200)의 각 구성요소들은, 볼트 체결 방식 등을 통해 서로 결합될 수도 있다.
상기와 같은 모듈 케이스(200) 구성에서, 요철은 베이스 플레이트(220)에 형성될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 요철은 셀 어셈블리(100)가 안착되는 베이스 플레이트(220)의 상부 표면에 형성될 수 있다.
모듈 케이스(200)에서 셀 어셈블리(100)와 가장 가깝게 위치할 수 있는 부분은 베이스 플레이트(220)이다. 따라서, 베이스 플레이트(220)의 내측 표면에 요철이 형성되는 경우, 요철을 통한 셀 어셈블리(100)의 방열 효과가 더욱 높아질 수 있다.
더욱이, 본 발명의 이러한 실시 구성은, 방열 경로가 배터리 모듈의 하부에 배치되는 장치에 적용될 때 더욱 좋을 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈의 하부에 냉각을 위한 구성, 이를테면 냉매 파이프가 마련된 경우, 베이스 플레이트(220)의 내측 표면에 요철이 형성되면 보다 우수한 방열 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같은 모듈 케이스(200) 구성에서, 요철은 모듈 케이스(200)의 서로 다른 복수의 측면에 형성될 수 있다. 특히, 요철은, 베이스 플레이트(220) 이외에, 탑 플레이트(210) 및 사이드 플레이트(230) 중 적어도 하나에 추가로 형성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 5를 추가로 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 더욱이, 도 5는, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성의 다른 형태로서 일부 구성을 도시한 도면이라 할 수 있다. 특히, 도 5에는, 전방 플레이트(233)와 후방 플레이트(234)는 도시되어 있지 않다.
도 5에 도시된 바와 같이, 요철은, 베이스 플레이트(220)의 상부 표면과 탑 플레이트(210)의 하부 표면에 모두 형성될 수 있다. 이 경우, 하나의 배터리 셀(110)은, 상부 및 하부 각각에서 다수의 요철과 접하게 될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)에 대하여 복수의 측면, 특히 상부와 하부 모두에 대한 방열 성능이 개선될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성과 같이 다수의 파우치형 셀이 수평 방향으로 나란하게 배치된 구성에서, 배터리 모듈의 상부와 하부에서 모두 냉각이 이루어지는 듀얼 쿨링 방식이 이용될 수 있다. 더욱이, 급속 충전에 대한 요구 사항이 가혹해지는 최근 상황에서, 듀얼 쿨링 방식의 채용 가능성은 더욱 높아질 수 있다. 이때, 상기 실시 구성과 같이 베이스 플레이트(220)와 탑 플레이트(210) 모두에 요철이 형성된 경우, 이러한 듀얼 쿨링 방식의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 6은, 도 3의 구성에 대한 다른 변형 실시예라 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)는, 외부 표면 중 적어도 일부에도 요철이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 6의 구성에서, 베이스 플레이트(220)는, 상부 표면과 하부 표면에 모두 요철이 형성될 수 있다. 이때, 모듈 케이스(200), 즉 베이스 플레이트(220)는, 내부 측 표면뿐 아니라, 외부 측 표면에도 요철이 형성되어 있다고 할 수 있다. 이 경우, 베이스 플레이트(220)의 내부 측 표면과 외부 측 표면의 면적이 모두 증가할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100) 측에서 열이 발생하는 경우 모듈 케이스(200)의 내측 표면에 형성된 요철을 통해 보다 많은 열이 흡수될 수 있다. 뿐만 아니라, 모듈 케이스(200)의 외측 표면에 형성된 요철을 통해, 보다 많은 열이 외부로 방출될 수 있다. 더욱이, 배터리 모듈의 외측에는, 도 6에서 C로 표시된 바와 같이, 냉각 구성이 배치될 수 있다. 이러한 냉각 구성은, 배터리 팩, 또는 배터리 팩이 장착된 장치, 이를테면 자동차 등에 마련된 냉각 파이프 등일 수 있다. 이 경우, 셀 어셈블리(100)의 열은, 베이스 플레이트(220), 즉 모듈 케이스(200)의 양면에 형성된 요철을 통해, 냉각 구성(C)으로 보다 신속하고 원활하게 배출될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성의 경우, 도 6에서 T로 표시된 부분과 같이, 베이스 플레이트(220)의 외측 표면과 냉각 구성(C) 사이에는 열전달 물질(Thermal Interface Material)이 개재될 수 있다. 특히, 이러한 열전달 물질은, 베이스 플레이트(220)의 외측 표면에 형성된 요철에 충진될 수 있다. 이 경우, 열전달 물질과 베이스 플레이트(220) 사이의 접촉 면적이 증가함으로써, 베이스 플레이트(220)에 대한 냉각 효율이 더욱 좋아질 수 있다.
한편, 모듈 케이스(200)에서 요철은, 전체적으로 균일하게 형성되지 않고 부분적으로 다른 형태를 갖도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 7은, 도 3의 구성에 대한 또 다른 변형예라 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 모듈 케이스(200)는, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 요철의 표면적에 차이를 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 셀 어셈블리(100)와 베이스 플레이트(220)가 배치된 상태에서, D2로 표시된 중앙 부분이 내측 부분이고, D1 및 D3로 표시된 가장자리 부분이 외측 부분이라 할 수 있다. 이때, D1, D2 및 D3로 표시된 부분 중 적어도 두 부분은 요철의 형태, 특히 표면적이 다르게 구성될 수 있다. 여기서, 요철의 표면적을 다르게 하기 위해서는, 요철의 깊이를 깊게 하거나 요철의 볼록부 간 거리를 짧게 하는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 요철이 웨이브 형태로 형성된 경우, 웨이브의 진폭을 크게 하거나, 웨이브의 파장을 짧게 함으로써, 요철의 표면적을 크게 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 7의 베이스 플레이트(220)에 형성된 구성을 살펴보면, 내측에서 외측 방향으로 갈수록, 즉 D2에서 D1 또는 D3 방향으로 갈수록, 요철의 표면적에 변화가 있음을 알 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 베이스 플레이트(220), 즉 모듈 케이스(200)에 형성된 부분 별 요철 형태의 차이에 따라, 보다 적절한 방열 성능이 확보되도록 할 수 있다. 더욱이, 셀 어셈블리(100)는 그 위치에 따라 열 배출량이 다를 수 있다. 따라서, 상기 실시 구성과 같이, 모듈 케이스(200)에 대하여 부분적으로 요철 형태에 변화를 주는 경우, 배출량 차이에 대하여 적응적으로 대처할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 보다 효율적이거나 균일한 열 배출이 가능할 수 있다.
특히, 배터리 셀(110)은 충방전 과정에서 열을 배출할 수 있으며, 부분 별로 열 배출량에 차이가 있을 수 있다. 대표적인 예로서, 배터리 셀(110)은 전극 리드(111)가 위치하는 부분에서 보다 많은 열이 생성되어 배출될 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(200)에서, 전극 리드(111)와 가까운 외측 부분의 요철이 다른 부분보다 큰 표면적을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 전방 및 후방으로 전극 리드(111)가 구비된 배터리 셀(110)의 하부에 배치된 베이스 플레이트(220)의 경우, D1 및 D3로 표시된 전극 리드(111)와 가까운 외측 부분, ㅈ즉 가장자리 부분은, D2로 표시된 중앙 부분에 비해, 요철이 깊고 많이 형성될 수 있다. 특히, D2로 표시된 중앙 부분의 경우, 요철이 거의 없고 볼록부만 있는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)에서 전극 리드(111)가 위치하는 측 표면의 열 흡수량이나 열 흡수 속도가 다른 부분보다 크게 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(110)에서 전극 리드(111)가 위치하는 부분에서 상대적으로 많은 열량이 배출된다 하더라도, 모듈 케이스(200) 역시 보다 많은 열량을 흡수함으로써, 배터리 셀(110)에 대하여 전체적으로 온도가 균일해지도록 할 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, D2로 표시된 바와 같은 중앙 부분에서 써멀 레진(300)의 양을 줄일 수 있다. 즉, D2로 표시된 부분의 경우, 오목부는 거의 형성되지 않고 볼록부가 주로 넓게 형성되어 있으므로, 배터리 셀(110)과 베이스 플레이트(220) 사이의 간격이 없거나 줄어들 수 있다. 따라서, 이 부분에서 베이스 플레이트(220)와 배터리 셀(110) 사이에 개재되는 써멀 레진(300)의 양이 감소될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 8은, 도 5의 구성에 대한 변형예라 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)는, 탑 플레이트(210)와 베이스 플레이트(220) 각각에 요철이 형성될 수 있다. 이때, 탑 플레이트(210)에 형성된 요철과 베이스 플레이트(220)에 형성된 요철은, 서로 다른 형태를 갖도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 베이스 플레이트(220)는, X축 방향인 수평 방향(전후 방향)으로 요철이 균일하게 형성되어 있다. 반면, 탑 플레이트(210)는, 수평 방향으로 요철이 불균일하게 형성되어 있다. 특히, 탑 플레이트(210)에 형성된 요철은, 도 7의 베이스 플레이트(220)와 유사하게, 외측 부분의 요철 표면적이 내측 부분의 요철 표면적보다 넓게 형성될 수 있다. 즉, 도 8에서 탑 플레이트(210)는, 중앙 부분에 비해 가장자리 부분에서, 요철의 깊이가 더 깊게 형성될 수 있다. 또한, 탑 플레이트(210)의 가장자리 부분은, 중앙 부분에 비해, 동일한 수평 거리 기준으로 더 많은 요철이 형성될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성의 경우, 탑 플레이트(210)와 베이스 플레이트(220)의 요철 형태가 상하 방향으로 대칭되지 않고 비대칭된 형태로 형성되어 있다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200)에 의한 듀얼 쿨링 시, 배터리 셀(110) 전체적으로 균일하게 냉각시키는 구성이 보다 효율적으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)에는 요철이 전체적으로 균일하게 형성되어 셀 어셈블리(100)로부터 열을 흡수하여 방출할 수 있다. 이러한 베이스 플레이트(220)의 냉각 구성에 의해, 배터리 셀(110)의 온도가 부분적으로 불균일할 수 있는데, 탑 플레이트(210)는 이러한 불균일성을 해소하기 위한 구성을 가질 수 있다. 특히, 베이스 플레이트(220)에 의한 냉각 결과 전극 리드(111) 측의 온도가 다른 부분에 비해 상대적으로 높은 경우, 상기 도 8에 도시된 바와 같이, 탑 플레이트(210)의 외곽 측 요철 면적을 상대적으로 크게 할 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(210)는 전극 리드(111) 측 부분의 열을 다른 부분보다 더 많이 흡수할 수 있다. 따라서, 베이스 플레이트(220)와 탑 플레이트(210)의 합산 냉각 결과, 배터리 셀(110) 전체적으로 온도가 균일해지도록 할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다. 도 9에서는, 설명의 편의를 위해, 사이드 플레이트(230)는 도시되지 않는다.
도 9를 참조하면, 베이스 플레이트(220)와 탑 플레이트(210)에 모두 요철이 형성되되, 각 요철의 형성 방향은 서로 다르게 구성될 수 있다. 즉, 탑 플레이트(210)는 화살표 F1 방향으로 요철이 형성되고, 베이스 플레이트(220)는 화살표 F2 방향으로 요철이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 탑 플레이트(210)의 요철은, 화살표 F1 방향으로 진행함에 따라 볼록부와 오목부가 반복하여 교차되는 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 베이스 플레이트(220)의 요철은, 화살표 F2 방향으로 진행함에 따라 볼록부와 오목부가 반복하여 교차되는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 탑 플레이트(210)와 베이스 플레이트(220)의 요철 형성 방향은, 서로 직교하는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 동일한 셀 어셈블리(100)에 대하여, 상부 측 냉각 형태와 하부 측 냉각 형태가 다르게 이루어질 수 있다. 이 경우, 셀 어셈블리(100)에 대하여 전체적으로 균일한 냉각 성능이 확보되도록 하는데 유리할 수 있다. 더욱이, 베이스 플레이트(220)와 탑 플레이트(210)의 요철에 써멀 레진(300)이 채워진 경우, 하나의 배터리 셀(110)에서, 상부 측에 접촉하는 레진의 양과 하부 측에 접촉하는 레진의 양이 달라질 수 있다. 따라서, 하나의 배터리 셀(110)에서, 특정 부분의 냉각 성능이 떨어지는 문제가 감소될 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 구성에 의하면, 하나의 배터리 셀(110)에서, 소정 부분의 하부 측에서는 볼록부가 접촉하여 접촉 레진의 양이 적더라도, 해당 부분의 상부 측에서는 오목부가 접촉하여 접촉 레진의 양이 많을 수 있다. 따라서, 하나의 배터리 셀(110)의 소정 부분에서 상부 측과 하부 측 모두 접촉 레진의 양이 적게 될 가능성이 감소될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 각 배터리 셀(110)에 대하여 전체적으로 균일한 냉각 성능이 확보될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 어셈블리(100)의 상부 측 방열 형태와 하부 측 방열 형태에 차이가 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 9의 실시예에서, 탑 플레이트(210)에서는 접촉 표면적이 넓은 오목부가 F2 방향으로 길게 형성되고, 베이스 플레이트(220)에서는 오목부가 F1 방향으로 길게 형성될 수 있다. 이 경우, 탑 플레이트(210)에서 열 배출 방향은 F2와 같은 방향으로 보다 많이 형성될 수 있고, 베이스 플레이트(220)에서 열 배출 방향은 F1 방향으로 보다 많이 형성될 수 있다. 그러므로, 셀 어셈블리(100)를 기준으로 상부와 하부에서 열 배출 형태에 차이가 생길 수 있으므로, 배터리 모듈에서 특정 방향으로 열이 많이 집중되는 것을 감소시킬 수 있다. 따라서, 배터리 모듈 전체의 냉각 효율이 향상될 수 있다.
도 10 및 도 11은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도 및 단면도이다. 특히, 도 11은, 도 10의 결합 구성에 대하여 A2-A2'선 대한 단면 구성을 나타낸다고 할 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 모듈 케이스(200)는, J로 표시된 바와 같이, 미세 돌기를 구비할 수 있다. 이러한 미세 돌기(J)는, 모듈 케이스(200)의 내측면에서 내측 방향으로 볼록하게 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 특히, 미세 돌기(J)는, 모듈 케이스(200)에서 요철(G)이 형성된 부분에 마련될 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 베이스 플레이트(220)에 요철(G)이 형성된 경우, 미세 돌기(J)는, 베이스 플레이트(220)의 내측 표면, 즉 상부 표면에 다수 구비될 수 있다.
미세 돌기(J)는, 모듈 케이스(200)의 내측 표면에서 수평 방향, 즉 좌우 방향(Y축 방향) 및 전후 방향(X축 방향)으로 다수 구비될 수 있다. 이때, 미세 돌기(J)는, 모듈 케이스(200)의 길이보다 현저하게 작은 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 미세 돌기(J)는, 대략 1mm 내지 50mm 이하의 직경 및 높이를 갖는 원 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 요철(G)과 더불어 미세 돌기(J)에 의해, 모듈 케이스(200)와 셀 어셈블리(100) 사이의 접촉 면적이 더욱 확대될 수 있다. 따라서, 셀 어셈블리(100)로부터 모듈 케이스(200)로 열전달 효율 및 속도가 증대되어, 배터리 모듈의 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 써멀 레진(300)이 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200) 사이에 개재되는 실시예에서 미세 돌기(J)가 적용되는 경우, 써멀 레진(300)이 모듈 케이스(200)의 표면 중 요철(G)에 의한 경사면을 따라 하부 방향으로 많이 이동하는 것이 억제될 수 있다. 따라서, 요철(G)이 형성된 부분에서 써멀 레진(300)이 골고루 위치할 수 있다.
한편, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)는, 볼록부(G1)와 오목부(G2)가 교대로 위치하는 형태로 요철(G)이 형성될 수 있다. 이때, 미세 돌기(J)는, 모듈 케이스(200)의 요철(G) 중 오목부(G2)에 구비될 수 있다. 더욱이, 오목부(G2)에 위치하는 미세 돌기(J)의 단부는, 볼록부(G1)보다 낮은 위치에 위치하도록 구성될 수 있다. 즉, 오목부(G2)의 미세 돌기(J)는, 볼록부(G1)의 높이보다 높지 않도록 할 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 오목부(G2)에 위치하는 미세 돌기(J)가 배터리 셀(100)과 직접 접촉하지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 셀(110)이 모듈 케이스(200)의 내측 표면, 이를테면 베이스 플레이트(220)의 상면에 안착될 때, 미세 돌기(J)에 의해 안착 공정이 방해 받거나 배터리 셀(100)이 손상되는 문제 등을 예방할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서, 모듈 케이스(200)의 일 표면에 구비된 미세 돌기(J)는, 부분적으로 밀집도가 다르게 구성될 수 있다. 여기서, 밀집도는, 모듈 케이스(200)의 동일 표면적 대비 미세 돌기(J)의 개수나 높이 등으로 표현될 수 있다. 특히, 다수의 미세 돌기(J)는, 배터리 셀(110)의 적층 방향으로 밀집도가 다르게 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(220)의 상부에 다수의 배터리 셀(110)이 좌우 방향으로 적층된 경우, 다수의 미세 돌기(J)는 좌우 방향으로 분포 개수 내지 형태가 변화할 수 있다. 특히, 미세 돌기(J)는, 베이스 플레이트(220)의 상부 표면 중 적어도 일부에서, 배터리 셀(110)의 적층 방향(Y축 방향)을 기준으로, 중앙 부분으로 갈수록 밀집도가 높아지는 형태로 구성될 수 있다. 다시 말해, 다수의 미세 돌기(J)는, 배터리 셀(110)의 적층 방향 외곽으로 갈수록 밀집도가 낮아지도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 다수의 배터리 셀(110)이 적층된 셀 어셈블리(100) 구성에서, 중앙 부분에 위치한 배터리 셀(110)의 냉각 성능이 더 좋아지도록 할 수 있다. 따라서, 중앙에 적층된 배터리 셀(110)의 온도가 외곽에 적층된 배터리 셀(110)의 온도보다 상대적으로 높아지는 문제를 예방하여, 셀 어셈블리(100) 전체에 대한 온도 균일화에 기여할 수 있다.
한편, 도 10 및 도 11의 실시예에서는, 베이스 플레이트(220)에 미세 돌기(J)가 구비된 형태를 중심으로 설명되었으나, 탑 플레이트(210)에도 미세 돌기(J)가 마련될 수 있다. 그리고, 이러한 탑 플레이트(210)에 미세 돌기(J)가 구비된 경우, 앞서 베이스 플레이트(220)에 마련된 미세 돌기(J)에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있다. 이에 대해서는, 도 12의 실시 구성을 참조하여, 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 베이스 플레이트(220)와 함께 탑 플레이트(210)에도 미세 돌기(J)가 형성될 수 있다. 특히, 탑 플레이트(210)에 형성된 미세 돌기(J)는, 베이스 플레이트(220)에 형성된 미세 돌기(J)와, 그 형태나 크기, 또는 배치 등이 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 플레이트(220)의 경우 미세 돌기(J)가 오목부(G2)에 형성되고, 탑 플레이트(210)의 경우 미세 돌기(J)가 볼록부(G1)에 형성될 수 있다. 여기서, 탑 플레이트(210)의 볼록부(G1)는, 탑 플레이트(210)의 하면 요철 구성에서, 셀 어셈블리(100) 방향, 즉 하부 방향으로 볼록하게 형성된 부분일 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 모듈 케이스(200) 내부에서 셀 어셈블리(100)의 수납 구성이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다. 더욱이, 베이스 플레이트(220)의 경우, 상면에 셀 어셈블리(100)가 직접 접촉할 수 있는데, 미세 돌기(J)는 오목부(G2)에 형성됨으로써, 볼록부(G1)의 평평한 부분이 셀 어셈블리(100)의 하부에 안정적으로 접촉될 수 있다. 그리고, 탑 플레이트(210)의 하면과 셀 어셈블리(100) 사이의 공간은, 공차 등으로 인해 어느 정도 이격된 형태를 가질 수 있다. 이때, 셀 어셈블리(100) 측에 가까운 볼록부(G1)에 미세 돌기(J)가 형성됨으로써, 미세 돌기(J)가 셀 어셈블리(100)의 상부와 가깝게 위치하거나 직접 접촉할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(110)의 수납 상태, 특히 상하 방향으로 세워져 좌우 방향으로 적층된 형태의 수납 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다. 그리고, 이 경우, 셀 어셈블리(100)와 모듈 케이스(200), 특히 탑 플레이트(210)와의 사이에서 열전달 효율이 증대될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS나 버스바, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 모듈이나 배터리 팩 이외에 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소 등을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈 이외에, 차체나 모터, ECU(electronic control unit) 등의 제어 장치 등을 더 포함할 수 있다.
특히, 최근에는, 모터로 구동되는 자동차에 대하여 급속 충전 기술에 대한 요구가 커지고 있다. 이러한 상황에서, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 채용된 자동차의 경우, 급속충전 시에도 방열 및 냉각 성능이 우수하게 확보될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 에너지 저장 시스템(ESS)에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은, 본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
[부호의 설명]
100: 셀 어셈블리
110: 배터리 셀
111: 전극 리드
200: 모듈 케이스
210: 탑 플레이트, 220: 베이스 플레이트, 230: 사이드 플레이트
231: 좌측 플레이트, 232: 우측 플레이트, 233: 전방 플레이트, 234: 후방 플레이트
300: 써멀 레진
G: 요철

Claims (10)

  1. 적어도 일 방향으로 적층된 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 어셈블리; 및
    내부 공간에 상기 셀 어셈블리를 수납하고, 내부 표면 중 적어도 일부에 상기 배터리 셀의 적층 방향과 평행하지 않은 방향으로 요철이 형성된 모듈 케이스
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 좌우 방향으로 적층되고, 상기 모듈 케이스의 요철은 전후 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 요철이 형성된 내부 표면과 상기 셀 어셈블리 사이에 개재된 써멀 레진을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는 탑 플레이트, 베이스 플레이트 및 사이드 플레이트를 구비하고, 상기 요철은 상기 베이스 플레이트에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 요철은, 상기 탑 플레이트 및 상기 사이드 플레이트 중 적어도 하나에 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 외부 표면 중 적어도 일부에도 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 내측에서 외측 방향으로 갈수록 상기 요철의 표면적에 차이를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 탑 플레이트와 베이스 플레이트 각각에 요철이 형성되고, 상기 탑 플레이트에 형성된 요철과 상기 베이스 플레이트에 형성된 요철은 서로 다른 형태를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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