KR101470072B1

KR101470072B1 - Heat control plate for battery cell module and battery cell module having the same

Info

Publication number: KR101470072B1
Application number: KR1020120059763A
Authority: KR
Inventors: 곽진우; 송경화; 이한샘; 최병삼
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2014-12-08
Also published as: KR20130136157A

Abstract

본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 사용 환경의 변화에 상관없이 배터리의 적정온도를 유지하여 배터리의 성능 저하를 방지하기 위한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로서, 배터리 셀의 부피변화에 대응하기 위한 탄성을 가지는 고분자 복합재 시트; 상기 고분자 복합재 시트의 상하 양면에 각각 접합되는 고열전달성의 열전달판; 상기 고분자 복합재 시트의 좌우 양측면에 각각 이웃하여 배치되는 상전이부; 상기 고분자 복합재 시트에 평판방향으로 삽입되며, 일단부가 상전이부의 바깥쪽으로 돌출되는 한 쌍의 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal control plate for a battery cell module and a battery cell module having the same. More particularly, the present invention relates to a battery cell module for maintaining a proper temperature of the battery, And a battery cell module having the same.
To this end, the present invention provides an interfacial component interlayer-inserted between battery cells, comprising: a polymer composite sheet having elasticity for accommodating volume changes of battery cells; A heat transfer plate having a high heat transfer property bonded to both upper and lower surfaces of the polymer composite sheet; A phase transition portion disposed adjacent to left and right sides of the polymer composite sheet, respectively; And a pair of heat pipes inserted into the polymer composite sheet in the direction of the flat plate and one end of which protrudes outward of the phase transition portion.

Description

배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈 {Heat control plate for battery cell module and battery cell module having the same}[0001] The present invention relates to a heat control plate for a battery cell module and a battery cell module having the same,

본 발명은 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 사용 환경의 변화에 상관없이 배터리의 적정온도를 유지하여 배터리의 성능 저하를 방지하기 위한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal control plate for a battery cell module and a battery cell module having the same. More particularly, the present invention relates to a battery cell module for maintaining a proper temperature of the battery, And a battery cell module having the same.

전기자동차는 배터리 시스템의 신뢰성과 안정성이 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용함에 따라 외부 온도의 다양한 변화에 따른 배터리의 성능저하를 방지하기 위하여 배터리 시스템의 적정 온도범위인 35~40℃가 유지되어야 하며, 이를 위해 일반적인 기후 조건에서는 우수한 방열성능을 지니면서 낮은 온도 환경에서는 적정 온도범위를 유지할 수 있어야 한다. As the reliability and stability of the battery system are the most important factors that determine the commerciality, the electric vehicle is required to maintain the proper temperature range of the battery system at 35 to 40 ° C in order to prevent deterioration of the battery due to various changes in the external temperature In order to achieve this, it is necessary to maintain an appropriate temperature range in a low temperature environment while having excellent heat radiation performance under ordinary climatic conditions.

일반적으로 리튬이온 배터리는 외부 온도가 영하 10℃ 이하로 떨어지면 에너지와 출력이 급격하게 저하된다. 일례로 18650 배터리의 경우 영하 40℃의 환경에서는 20℃인 환경에서의 에너지 밀도의 5%, 출력 밀도의 1.25% 정도 밖에 공급하지 못한다고 보고되고 있다(Ref, G. Nagasubramanian, J. Appl. Electrochem. 31 (2001) 99 참조).Generally, lithium-ion batteries have a sudden drop in energy and power when the external temperature falls below minus 10 ° C. For example, it has been reported that the 18650 battery can supply only 5% of the energy density and 1.25% of the output density at an environment of -20 ° C and -40 ° C (Ref, G. Nagasubramanian, J. Appl. Electrochem. 31 (2001) 99).

또한, 리튬이온 배터리는 낮은 온도 환경에서 방전은 정상적으로 이루어지나 충전이 정상적으로 이루어지지 못하는 것으로 보고되고 있다(Ref, C. K. Huang, J. S. Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. Soc. 147 (2000) 2893; S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, Electrochim. Acta 48 (2002) 241 참조).In addition, lithium ion batteries have been reported to discharge normally in a low temperature environment, but fail to charge normally (Ref, CK Huang, JS Sakamoto, J. Wolfenstine, S. Surampudi, J. Electrochem. 2000) 2893; SS Zhang, K Xu, TR Jow, Electrochim. Acta 48 (2002) 241).

이와 같은 저온 환경에서의 배터리 성능저하는 배터리 내 전해질의 이온 전도도 저하와 그라파이트 표면에 형성되는 고체 전해질 막, 리튬이온의 그라파이트로의 낮은 확산성, 전해질과 전극부 계면에서의 전하전달의 저항 증가 등이 원인이 되며(Ref, S. S. Zhang, K Xu, T. R. Jow, J of Power Sources 115 (2003) 137 참조), 이를 해결하기 위해서는 배터리 셀을 적정 온도(35~40℃)로 유지하기 위한 별도의 히팅 시스템이 필요하다.Such deterioration of the battery performance in a low-temperature environment is caused by a decrease in the ion conductivity of the electrolyte in the battery and an increase in the resistance of the solid electrolyte membrane formed on the graphite surface, the low diffusion of lithium ions into graphite, (Ref, SS Zhang, K Xu, TR Jow, J of Power Sources 115 (2003) 137). To solve this problem, a separate heating We need a system.

그러나, 전기자동차용 배터리는 고출력, 고속 및 반복 충전 등으로 인하여 발생하는 열로 인해 국부적인 온도 차이나 고열이 발생하게 되고, 이에 배터리의 효율 및 안정성을 저해하는 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생하게 되며, 상기의 열폭주 현상은 배터리 내부에서 발생되는 열보다 외부로의 열 방출 및 확산 능력이 부족하여 초래된다.However, the electric vehicle battery generates local temperature difference or high temperature due to heat generated due to high output, high speed and repeated charging, and thus thermal runaway phenomenon which hinders the efficiency and stability of the battery occurs , The above thermal runaway phenomenon is caused by insufficient heat dissipation and diffusion ability to the outside than heat generated inside the battery.

또한, 최근 널리 사용되고 있는 파우치형(pouched type) 배터리 셀에서는 충전 및 방전시 리튬이온의 전극물질로의 인터칼레이션(Intercalation)과 디-인터칼레이션(deintercalation)에 의해 부피 변화가 발생하게 된다.In addition, in a pouch-type battery cell which has been widely used recently, volume change occurs due to intercalation and deintercalation of lithium ions into electrode materials during charging and discharging.

또한, 배터리 셀 내 전극의 팽창으로 인한 전극물질 사이의 분리층(separator)의 손상은 내부 저항의 발생과 함께 전압의 증가와 배터리 성능 및 최종 배터리 용량의 감소 등을 초래하게 되므로 배터리의 부피 팽창에 대응하기 위한 방열용 계면 부재가 필요하다.In addition, the damage of the separator between the electrode materials due to the expansion of the electrodes in the battery cell causes an increase in voltage, a reduction in the battery performance and a final battery capacity as well as an internal resistance, A heat dissipation interfacing member is required.

또한, 종래의 배터리 시스템에서 배터리 셀의 부피가 증가할 경우, 배터리 셀 모듈 내 형성된 공기 냉각 유로가 축소되어 냉각 효과가 감소하게 되고, 결국 주변 배터리 셀의 온도 상승에 의해 인접한 셀 간 발열 현상이 가속화되어 배터리 성능의 급격한 저하를 초래하게 된다.In addition, when the volume of the battery cell increases in the conventional battery system, the cooling air flow path formed in the battery cell module is reduced and the cooling effect is reduced. As a result, Resulting in a drastic decrease in battery performance.

또한, 배터리 셀의 부피팽창이 심할 경우 배터리 셀의 파우치형 케이스가 손상되어 내부의 전해액이 누수되거나 가스가 분출하는 등의 위험이 있다.Also, when the volume expansion of the battery cell is severe, there is a risk that the pouch-shaped case of the battery cell is damaged, and the electrolyte inside the battery is leaked or gas is spouted.

또한, 다수의 파우치형 배터리 셀을 적층하여 배터리 셀 모듈을 구성하므로, 배터리 셀의 부피팽창이나 가스 분출 혹은 폭발이 발생할 경우 인접한 셀에도 직접적인 손상이 가해지는 문제점이 있다.In addition, since a plurality of pouch-type battery cells are stacked to constitute a battery cell module, there is a problem that when a volume expansion of a battery cell, a gas ejection or an explosion occurs, direct damage is also applied to an adjacent cell.

또한, 배터리 셀 모듈의 셀 간 공기 냉각 유로는 효과적인 방열을 위해 필수적으로 형성되어야 하나, 통상 배터리 셀 사이마다 3㎜ 이상의 공간이 확보되어야 하므로 체적 대비 에너지밀도를 향상시키는데 한계가 있다.In addition, the inter-cell air cooling flow path of the battery cell module is essential for effective heat dissipation. However, since a space of 3 mm or more must be secured between battery cells, there is a limit to improve energy density relative to volume.

알려진 바와 같이, 히트파이프는 열을 효율적으로 전달하기 위한 파이프로서 전열관(傳熱管)이라고도 하는데, 내부를 배기(排氣)한 파이프로서 다수의 작은 구멍이 뚫려 있는 안쪽에 휘발성 액체를 가득 담아 구성되며, 파이프의 한쪽 끝에 열을 가하면 내부 액체가 증발하여 열에너지를 가지면서 다른 끝으로 이동하게 되고 파이프의 다른 끝에서 방열한 뒤 본래의 위치로 돌아오는 구조로 열을 전달하게 된다.As known, a heat pipe is a pipe for efficiently transmitting heat, which is also referred to as a heat transfer pipe. The pipe is an exhaust pipe, and is filled with a volatile liquid When the heat is applied to one end of the pipe, the internal liquid evaporates, and the heat is transferred to the other end with heat energy, the heat is dissipated from the other end of the pipe, and the heat returns to the original position.

이와 같은 히트파이프는 구리·스테인리스강·세라믹스·텅스텐 등으로 된 본체 내부에 다공질의 파이버 등으로 된 내벽이 구성되며, 내부의 휘발성 물질로는 메탄올·아세톤·물·수은 등이 사용된다.Such a heat pipe is made of copper, stainless steel, ceramics, tungsten, etc., and an inner wall made of porous fiber is formed in the body. Methanol, acetone, water, mercury, etc. are used as volatile substances inside.

이러한 히트파이프는 기존의 공냉식 대비 열전달 효율이 월등히 우수하나, 히트파이프를 이용한 배터리의 방열 구조에 대한 연구는 아직 선행연구의 단계이며, 히트파이프를 이용하여 방열과 함께 배터리의 저온 성능까지 방지할 수 있는 구조는 현재까지 전무한 실정이다.This heat pipe has superior heat transfer efficiency compared to the conventional air cooling type. However, research on the heat dissipation structure of the battery using the heat pipe is still in the stage of the preceding research, and it is possible to prevent the low temperature performance of the battery Has not existed until now.

현재 히트파이프는 각종 전기전자 제품에 널리 활용되고 있으며, 이와 관련한 선행특허로는 US 20110309734, US 20110310557 등 다수가 있다. Currently, heatpipes are widely used in various electric and electronic products, and there are many prior patents related thereto such as US 20110309734, US 20110310557, and the like.

한편, 현재 양산 혹은 진행되고 있는 연구의 대부분은 배터리 케이스 및 하우징의 소재 개발에 있어 방열의 관점에서만 접근하고 있는데, 통상 배터리의 작동온도가 지나치게 높거나(50℃ 이상) 낮은 경우(0℃ 이하) 배터리의 수명에 치명적인 악영향을 미치므로 배터리의 성능과 수명을 위해서는 적절한 온도 조절이 필수적이다.In the meantime, most of the researches that are currently in mass production or progress are approaching only from the viewpoint of heat dissipation in the development of battery case and housing materials. When the operating temperature of a battery is excessively high (50 ° C or more) Since the life of the battery is adversely affected, appropriate temperature control is essential for battery performance and life.

따라서, 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 성능을 유지하고 안정성을 확보하기 위해서는 적정온도를 유지하기 위한 별도의 배터리 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.Therefore, a separate thermal control system for the battery cell module is required to maintain an appropriate temperature in order to maintain battery performance and stability in various operating conditions and temperature conditions.

일례로, 종래의 배터리 케이스 및 하우징 소재는 PC+ABS, PA, PP 등의 플라스틱 기질에 난연 필러인 미네랄 필러가 20 ~ 30 중량% 충전(充塡)된 소재로서, 난연성, 내화학성, 절연성, 내구성 등의 기능을 보유하고 있지만 방열의 특성은 전혀 없는 것이 사실이다.For example, the conventional battery case and housing material are made of plastic substrate such as PC + ABS, PA, PP and the like and filled with 20 to 30% by weight of a mineral filler as a flame retardant filler. The flame retardancy, chemical resistance, And durability, but it is true that there is no characteristic of heat dissipation at all.

이에 방열특성을 구현하기 위해서 종래에는 배터리 셀 사이마다 일정 크기(3~5㎜)의 유로 공간을 형성하고 에어 블로워(air blower)를 이용하여 공냉식을 열을 제거하고 있다.Conventionally, a channel space of a predetermined size (3 to 5 mm) is formed between battery cells and an air blower is used to remove the heat from the air-cooled type.

현재 개발되고 있는 배터리 방열 시스템은 배터리 내부에 축적되는 열을 외부로 방출하는 관점에서만 접근하고 있어 저온의 환경에서 배터리 전체의 성능저하가 우려되어 열전도성 및 방열성의 향상보다 시스템 내 적정온도를 유지하는 온도제어 소재가 요구되고 있으나 현재 배터리의 적정온도 유지를 위한 기구나 소재를 적용하고 있는 친환경자동차용 배터리 시스템은 전무한 실정이다.Currently developed battery heat dissipation systems are approaching only from the viewpoint of releasing the heat accumulated in the battery to the outside, so that the performance degradation of the whole battery is worried in a low temperature environment, so that the proper temperature in the system is maintained rather than improvement of heat conduction and heat dissipation Temperature control material, but there is no battery system for environmentally friendly automobile which applies a mechanism or material for maintaining the proper temperature of the battery at present.

또한, 기존의 배터리 시스템의 방열성능 향상을 위해 고열전도성의 필러를 함유한 고분자 복합재 수지가 다양하게 개발되고 있으나, 대부분 판상이나 파이버(fiber) 타입의 필러를 사용하므로 사출 성형을 통해 평판형태로 제작할 경우 필러가 사출방향으로의 전단력에 의해 사출방향으로의 일축으로 배향되어 열전도성의 이방성 문제를 초래하게 되며, 이에 배터리 하우징의 제작시 개발 소재를 적용하더라도 원하는 방열 효율에 도달하지 못하는 문제점이 있다.In order to improve the heat dissipation performance of existing battery systems, a variety of polymer composite resins containing high thermal conductivity fillers have been developed, but most of them are made of plate or fiber type fillers. The filler is uniaxially oriented in the direction of injection by the shear force in the direction of injection, which leads to a heat conductive anisotropy problem. Thus, even if the developed material is applied to the battery housing, desired heat dissipation efficiency can not be achieved.

한편, 배터리의 적정온도 유지를 위한 소재로 배터리의 온도 상승시 열을 흡수하고 하강시 열을 방출하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지하게 하는 상전이 소재가 적용되고 있으나, 상전이 소재의 낮은 열전도도로 인해 열전달 유체와 상전이 물질 간에 효과적인 열교환 및 열교환 속도에 도달하기 어려운 단점이 있다.
On the other hand, a phase change material which absorbs heat when the temperature of the battery rises and discharges heat when the temperature rises is maintained to maintain the internal temperature of the battery properly is applied as a material for maintaining the proper temperature of the battery. However, due to low thermal conductivity of the phase change material There is a drawback that it is difficult to achieve effective heat exchange and heat exchange rate between the heat transfer fluid and the phase transition material.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 고안한 것으로서, 배터리 셀 사이에 개재되는 계면부품으로서 다양한 운전 조건과 온도 조건에 대해 배터리의 적정 온도를 유지함과 동시에 배터리 셀의 부피변화에 대응 가능한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트 및 이를 갖는 배터리 셀 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been devised to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a battery cell capable of maintaining a proper temperature of a battery for various operating conditions and temperature conditions, An object of the present invention is to provide a thermal control plate for a module and a battery cell module having the same.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로서, 배터리 셀의 부피변화에 대응하기 위한 탄성을 가지는 고분자 복합재 시트; 상기 고분자 복합재 시트의 상하 양면에 각각 접합되는 고열전달성의 열전달판; 상기 고분자 복합재 시트의 좌우 양측면에 각각 이웃하여 배치되는 상전이부; 상기 고분자 복합재 시트에 평판방향으로 삽입되며, 일단부가 상전이부의 바깥쪽으로 돌출되는 한 쌍의 히트파이프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an interfacial component interposed between battery cells, comprising: a polymer composite sheet having elasticity to correspond to volume change of a battery cell; A heat transfer plate having a high heat transfer property bonded to both upper and lower surfaces of the polymer composite sheet; A phase transition portion disposed adjacent to left and right sides of the polymer composite sheet, respectively; And a pair of heat pipes inserted into the polymer composite sheet in the direction of the flat plate and one end of which protrudes outward of the phase transition portion.

바람직하게, 상기 한 쌍의 히트파이프는 고분자 복합재 시트의 중심을 기준으로 서로 대칭을 이루도록 된 것을 특징으로 한다.Preferably, the pair of heat pipes are symmetrical with respect to the center of the polymer composite sheet.

더욱 바람직하게, 상기 히트파이프는 방열 면적을 증대하기 위하여 일단부에 하나 이상의 방열판을 가진다.More preferably, the heat pipe has one or more heat sinks at one end to increase the heat dissipation area.

또한 바람직하게, 상기 열전달판은 각각 고분자 복합재 시트보다 일정 폭만큼 크게 형성되어 상전이부의 상하 일면까지 연장된다.Preferably, each of the heat transfer plates is formed to have a width larger than that of the polymer composite sheet, and extends to the upper and lower surfaces of the phase transition portion.

구체적으로, 상기 상전이부는 상전이 소재 60 ~ 80 중량% 와 필러 20 ~ 40 중량% 로 이루어지며, 상기 고분자 복합재 시트는 열가소성 엘라스토머 수지 50 ~ 70 중량% 와 고열전도성 필러 30 ~ 50 중량% 로 이루어진다.Specifically, the phase transition portion comprises 60 to 80% by weight of the phase change material and 20 to 40% by weight of the filler, and the polymer composite sheet comprises 50 to 70% by weight of the thermoplastic elastomer resin and 30 to 50% by weight of the high thermal conductive filler.

또한 본 발명은, 상기의 열 제어 플레이트를 이웃한 배터리 셀들 사이에 층간 삽입하여 구성되며, 이웃한 열 제어 플레이트 사이에는 배터리 셀의 양측면에 이웃하는 절연체가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈을 제공한다.Further, the present invention is characterized in that the thermal control plate is interposed between neighboring battery cells, and an insulator adjacent to both sides of the battery cell is interposed between neighboring thermal control plates. do.

여기서, 상기 절연체는 탄성을 지닌 단열재로 이루어지며, 구체적으로는 폴리우레탄 폼과 엘라스토머 등으로 이루어진다.
Here, the insulator is made of a heat insulating material having elasticity, specifically, a polyurethane foam and an elastomer.

본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트는 배터리 셀 사이에 층간 삽입되어, 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로 배터리 셀의 온도 상승시 접촉하고 있는 셀로부터 열을 흡수하고 온도 하강시 셀로 열을 전달 공급하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지할 수 있게 함으로써 배터리 사용 환경의 변화에 상관없이 배터리 시스템의 적정 온도를 유지하는 동시에, 배터리 셀의 충전 및 방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있다.A thermal control plate for a battery cell module according to the present invention is interposed between battery cells to absorb heat from a cell in contact with the battery cell when the temperature of the battery cell rises based on an appropriate operating temperature range of the battery cell, So that the internal temperature of the battery can be appropriately maintained. Thus, it is possible to maintain the proper temperature of the battery system irrespective of the change of the battery usage environment, and to cope with volume changes occurring during charging and discharging of the battery cell.

따라서, 본 발명의 열 제어 플레이트를 배터리 셀 모듈에 적용함에 따라 모듈의 열 제어 성능이 개선됨은 물론, 체적 대비 에너지밀도가 향상된 컴팩트한 방열 및 히팅 시스템의 구현이 가능하며, 배터리 성능을 향상하는 동시에 배터리 시스템의 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있다
Accordingly, the application of the thermal control plate of the present invention to the battery cell module improves the thermal control performance of the module, enables a compact heat dissipating and heating system with improved energy density relative to the volume, improves battery performance The stability and reliability of the battery system can be secured

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 제어 플레이트를 배터리 셀 사이마다 삽입한 배터리 셀 모듈을 나타낸 개략적인 단면 구성도이다.
도 2는 도 1의 A-A에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트의 열 제어 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 히트파이프의 작동 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a battery cell module in which a thermal control plate is inserted between battery cells according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a view as seen from AA in Fig.
3 is a schematic view illustrating a thermal control principle of a thermal control plate for a battery cell module according to the present invention.
Fig. 4 is a view schematically showing the operation principle of the heat pipe.

전기자동차용 배터리 시스템의 성능 향상 및 안정성 확보를 위해서는 적정 온도 유지를 위해 히팅 및 방열 특성을 동시에 가지는 배터리 셀 모듈용 열 제어 시스템이 필요하다.In order to improve the performance and stability of the battery system for an electric vehicle, a thermal control system for a battery cell module having heating and heat radiation characteristics at the same time is needed.

이에 본 발명에서는 배터리의 성능 저하를 방지하기 위하여 배터리를 적정 온도로 유지시킬 수 있는 열 제어 플레이트를 파우치 타입의 배터리 셀들 사이마다 층간 삽입하여 기존의 공냉식 방열 시스템 대비 동일 체적 내 에너지밀도가 향상된 배터리 셀 모듈의 설계를 가능하게 하고자 한다.In order to prevent deterioration of the performance of the battery, the present invention inserts a thermal control plate capable of maintaining a proper temperature of the battery between the battery cells of the pouch type so as to provide a battery cell having improved energy density in the same volume as the existing air- We want to enable the design of the module.

상기 열 제어 플레이트와 같은 계면부품을 이용하여 체적 대비 에너지밀도가 향상된 컴팩트한 배터리 시스템을 설계하기 위해서는 배터리 셀의 충전 및 방전시 발생하는 부피변화에 대응하기 위한 소재의 탄성, 저온에서의 열에너지 전달 기능, 및 고온에서의 방열 성능 등이 모두 우수해야 한다.In order to design a compact battery system having improved energy density relative to the volume by using an interface component such as the thermal control plate, elasticity of a material to cope with a volume change occurring during charging and discharging of a battery cell, , And heat radiation performance at a high temperature.

따라서, 본 발명에서는 방열 및 히팅을 통해 배터리 셀의 적정온도를 유지할 수 있도록 하기 위한 상전이 소재(PCM)와 배터리 셀의 효과적인 방열을 위한 히트파이프 및 셀의 부피변화에 대응가능한 고분자 복합재 등을 이용한 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트를 제공하고자 한다.Accordingly, in the present invention, a phase change material (PCM) for maintaining a proper temperature of a battery cell through heat dissipation and heating, a heat pipe for effective heat dissipation of the battery cell, and a battery using a polymer composite material capable of coping with volume change of the cell To provide a thermal control plate for a cell module.

이에 본 발명의 열 제어 플레이트는 적층된 배터리 셀들 사이에 층간 삽입되어 배터리 셀 모듈의 방열 및 히팅을 제어하기 위한 계면부품으로서, 배터리 셀의 적정한 작동온도 범위를 기준으로 배터리 셀의 온도 상승시 접촉하고 있는 셀로부터 열을 흡수하고 온도 하강시 셀로 열을 공급하여 배터리의 내부 온도를 적정하게 유지하는 동시에, 배터리 셀의 충전 및 방전시 나타나는 부피변화에 대응할 수 있도록 구성된다.The thermal control plate of the present invention is an interfacial component interposed between stacked battery cells to control the heat radiation and heating of the battery cell module. The thermal control plate is contacted when the temperature of the battery cell rises based on an appropriate operating temperature range of the battery cell Absorbs heat from the cell and supplies heat to the cell when the temperature is lowered to properly maintain the internal temperature of the battery and to cope with a volume change occurring during charging and discharging of the battery cell.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열 제어 플레이트를 배터리 셀 사이마다 삽입한 배터리 셀 모듈을 나타낸 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view illustrating a battery cell module in which a thermal control plate is inserted between battery cells according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 모듈(10)은 적층구성되는 복수 개의 배터리 셀(11)과 상기 배터리 셀(11)들 사이에 층간 삽입되는 복수 개의 열 제어 플레이트(12)를 포함하여 구성된다.1, a battery cell module 10 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of stacked battery cells 11 and a plurality of thermal control plates (not shown) inserted between the battery cells 11 12).

이때, 복수 개의 배터리 셀(11)들이 열 제어 플레이트(12)를 사이에 두고 적층되어 하나의 모듈(10)을 구성하는데, 각 셀(11)에서 발생한 열이 셀 간에 밀착 개재된 열 제어 플레이트(12)에 효과적으로 전달되고 또한 열 제어 플레이트(12)에서 방출된 열이 각 셀에 효과적으로 전달될 수 있도록 셀(11)들과 그 사이의 열 제어 플레이트(12)가 직접 접촉 및 접합된 상태로 적층되며, 이에 따라 셀(11)과 셀 사이에 일정 간격의 유로 공간을 형성해야 하는 종래의 공냉 방식과 달리 배터리 셀 모듈(10)이 컴팩트하게 구성된다.At this time, a plurality of battery cells 11 are stacked with the heat control plate 12 interposed therebetween to constitute one module 10. The heat generated in each cell 11 is transferred to the heat control plate 12 and the thermal control plate 12 between them are brought into direct contact and bonding so that the heat released from the thermal control plate 12 can be effectively transferred to each cell. So that the battery cell module 10 is constructed compactly, unlike the conventional air-cooling method in which a channel space is formed between the cells 11 and the cells at regular intervals.

상기 열 제어 플레이트(12)는 배터리 셀(11)의 효과적인 방열을 위한 히트파이프(14), 배터리 셀(11)의 온도 상승시 열을 흡수하고 하강시 열을 방출하여 셀 온도를 적정하게 유지시킬 수 있는 상전이 소재(PCM)를 함유한 상전이 복합재로 된 상전이부(15), 각 부위 간에 용이하고 원활한 열전달을 위한 열전달판(16), 및 배터리 셀의 부피변화에 대응하기 위한 고분자 복합재 시트(13)를 포함하여 구성된다.The heat control plate 12 absorbs heat when the temperature of the heat pipe 14 and the battery cell 11 are increased to effectively dissipate heat of the battery cell 11 and releases heat when the battery cell 11 is lowered to properly maintain the cell temperature. A heat transfer plate 16 for easy and smooth heat transfer between the respective portions, and a polymer composite sheet 13 (corresponding to a change in the volume of the battery cell) 13, which is a phase change material containing a phase change material (PCM) ).

상기 고분자 복합재 시트(13)는 열가소성 엘라스토머 수지에 열전도도가 우수한 필러를 충진하여 열전도도를 향상시킨 고분자 복합재로 된 판 형태로 구성되며, 배터리 셀에 상응하는 폭을 가진다.The polymer composite sheet 13 is formed of a polymer composite material having a thermally conductive elastomer resin filled with a filler having a high thermal conductivity to improve thermal conductivity, and has a width corresponding to the battery cell.

상기 열전달판(16)은 고분자 복합재 시트(13)의 상하 양면에 각각 적층 및 접합되며, 열전도도가 우수한 알루미늄을 사용하여 얇은 판 형태로 구성된다.The heat transfer plate 16 is laminated and bonded to both the upper and lower surfaces of the polymer composite sheet 13, and is formed in the form of a thin plate using aluminum excellent in thermal conductivity.

여기서, 열전달판(16)은 배터리 셀(11) 및 고분자 복합재 시트(13)의 면적에 비해 일정 폭만큼 크게 제작되며, 이에 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 양측으로 상기 일정 폭만큼 돌출되게 된다.Here, the heat transfer plate 16 is made larger by a predetermined width than the areas of the battery cell 11 and the polymer composite sheet 13, and is protruded by the predetermined width on both sides of the polymer composite sheet 13.

그리고, 상기 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 양측 가장자리에는 열전달판(16) 사이에 삽입되는 상전이부(15)가 접촉 및 접합된 구조로 배치된다.The polymer composite sheet 13 is disposed at the left and right edges thereof with a phase transition portion 15 inserted between the heat transfer plates 16 in contact and bonding.

상기 상전이부(15)는 배터리 셀(11)의 온도 변화에 따라 고체에서 액체로 또는 액체에서 고체로 상전이를 일으키는 것으로, 상전이 소재를 함유하는 상전이 복합재로 제작되며, 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 양측면에 각각 이웃하여 접합되거나 또는 닿아있는 형태로 구성될 수 있다.The phase change unit 15 is a phase change material containing a phase change material which causes a phase transition from a solid to a liquid or from a liquid to a solid according to a temperature change of the battery cell 11, And they may be joined to each other on their both sides or may be in contact with each other.

상기 상전이 복합재는 상전이 소재의 낮은 열전도도를 보완하기 위하여 열전도도가 높은 필러를 함유하며, 구체적으로 상전이 복합재 100 중량% 를 기준으로 20 ~ 40 중량%의 필러를 함유한다.The phase change composite includes a filler having a high thermal conductivity in order to compensate the low thermal conductivity of the phase transition material. Specifically, the phase change composite contains 20 to 40 wt% filler based on 100 wt% of the phase transition composite material.

즉, 상기 상전이 복합재는 필러 20 ~ 40 중량% 를 함유한 복합재로서, 상전이 소재 60 ~ 80 중량% 와 필러 20 ~ 40 중량% 로 이루어질 수 있다.That is, the phase change composite material is a composite material containing 20 to 40% by weight of a filler, and may be composed of 60 to 80% by weight of a phase change material and 20 to 40% by weight of a filler.

이때, 필러의 함량이 20 중량% 미만이면 원하는 열전도 특성을 얻을 수 없고, 40 중량% 를 초과하면 동일 부피공간 내에 포함되는 상전이 소재의 양이 줄게 되어 원하는 만큼 열을 흡수하거나 방출하지 못하게 되므로 열용량의 한계가 발생하여 원하는 열저장 용량을 가질 수 없게 된다.If the filler content is less than 20 wt%, desired heat conduction characteristics can not be obtained. If the filler content is more than 40 wt%, the amount of the phase transition material contained in the same volume space decreases, The limit is generated and the desired heat storage capacity can not be obtained.

상기 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 등이 사용될 수 있다.As the filler, graphite, carbon nanotubes, carbon black, boron nitride, aluminum nitride, steel fiber, silver powder and the like can be used.

본 발명에서는 배터리 셀(11)의 온도 상승시 셀의 열을 흡수하고 하강시 셀의 열을 방출하여 셀의 내부온도를 적정하게 유지시킬 수 있는 상전이 소재를 이용하여 배터리 시스템의 적정 온도를 유지하고자 하며, 상전이 현상은 상전이 소재의 융점을 기준으로 하여 나타나게 되므로 소재의 융점을 고려하여 소재를 선정함으로써 원하는 온도범위에서 셀의 온도유지를 가능하게 할 수 있다.In the present invention, by using a phase change material capable of absorbing the heat of the cell when the temperature of the battery cell 11 rises and releasing the heat of the cell when the cell is lowered to properly maintain the internal temperature of the cell, Since the phase transition phenomenon occurs based on the melting point of the phase transition material, it is possible to maintain the temperature of the cell in a desired temperature range by selecting the material in consideration of the melting point of the material.

따라서, 상전이부(15)에 포함되는 상전이 소재로는 배터리 시스템의 적정 작동온도인 35 ~ 40℃의 온도가 유지될 수 있도록 융점이 40 ~ 45℃ 인 라우르산(lauric acid) 혹은 융점이 32 ~ 34℃인 노나데칸(nonadecane) 등이 사용될 수 있다.Therefore, the phase change material included in the phase change portion 15 is preferably a lauric acid having a melting point of 40 to 45 ° C or a melting point of 32 ° C to maintain a proper operating temperature of the battery system of 35 to 40 ° C, And nonadecane at ~ 34 ° C can be used.

효과적인 방열을 위한 히트파이프(14)는 평판 타입으로 구성되며, 상하 양측의 열전달판(16) 사이에서 고분자 복합재 시트(13) 내에 평판 방향으로 삽입되어 방열판(17)을 가지는 일단부(히트파이프(14) 내 작동유체의 응축이 일어나는 부위)를 제외한 나머지 부위가 고분자 복합재 시트(13)로 둘러싸이게 된다.The heat pipe 14 for effective heat dissipation is formed of a flat plate type and is inserted between the heat transfer plates 16 on both sides of the upper and lower sides in the polymer composite sheet 13 in the direction of the flat plate, 14) is condensed by the polymer composite sheet 13).

즉, 상기 히트파이프(14)는 고분자 복합재 시트(13)에 삽입 시 일단부가 일정 폭만큼 바깥쪽으로 돌출되게 삽입되며, 상기 일단부는 상전이부(15)를 관통하여 열전달판(16)의 바깥쪽으로 일정 폭만큼 돌출된 구조가 된다.That is, the heat pipe 14 is inserted into the polymer composite sheet 13 so that one end of the heat pipe 14 protrudes outward by a predetermined width. The one end of the heat pipe 14 passes through the phase transition portion 15, So that it becomes a structure protruding by a width.

이때, 히트파이프(14)는 도 1에 나타낸 바와 같이 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 양측으로 각각 삽입되고 고분자 복합재 시트(13) 내에서 서로 이격된 구조로 배치되며, 열전달판(16)의 좌우 양측으로 히트파이프(14)의 일단부가 각각 돌출된 구조가 된다.1, the heat pipes 14 are inserted into the left and right sides of the polymer composite sheet 13, respectively, and are arranged in a structure spaced apart from each other in the polymer composite sheet 13, And one end of the heat pipe 14 protrudes from both sides.

바람직하게는, 상기 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 양측으로 삽입되어 구성되는 한 쌍의 히트파이프(14)가 고분자 복합재 시트(13)의 중심을 기준으로 서로 대칭을 이룬다.Preferably, a pair of heat pipes 14 inserted into both the left and right sides of the polymer composite sheet 13 are symmetrical with respect to the center of the polymer composite sheet 13.

이렇게 고분자 복합재 시트(13)의 양방향으로 대칭되는 한 쌍의 히트파이프(14)를 설치함으로써 일방향으로 설치할 때보다 방열효과를 높일 수 있으며, 배터리 표면에서 전체적으로 국부적 온도편차를 최소화할 수 있어 배터리의 안정성을 향상하고 성능저하를 방지할 수 있다.By providing a pair of heat pipes 14 symmetrical in both directions of the polymer composite sheet 13, it is possible to enhance the heat dissipation effect as compared with a case where the heat pipes 14 are installed in one direction, minimize the local temperature deviation as a whole on the battery surface, And performance degradation can be prevented.

일반적으로 히트파이프는 직경이 클수록 그리고 길이가 길수록 그 성능지수인 APR(Axial Power Rate)이 높아지는데, 본 발명에서는 열 제어 플레이트(12)의 중심을 기점으로 하여 양쪽으로 히트파이프(14)를 형성함으로써 APR을 높여 방열 특성을 극대화할 수 있다.Generally, the larger the diameter and the longer the length of the heat pipe, the higher the APR (Axial Power Rate) of the performance index. In the present invention, the heat pipe 14 is formed on both sides of the center of the heat control plate 12 Thereby increasing the APR and maximizing the heat dissipation characteristics.

상기 히트파이프(14)의 방열판(17)은 방열 면적을 증대하기 위한 것으로 일정 면적으로 된 평판형으로 구성되며, 도 1 및 도 2에 보이듯 열전달판(16)의 바깥쪽으로 돌출되는 히트파이프(14)의 일단부 표면에 돌출된 구조로 형성되고, 구체적으로는 히트파이프(14)의 표면에 직각을 이루도록 형성된다.The heat radiating plate 17 of the heat pipe 14 is a flat plate having a predetermined area for increasing the heat radiating area. As shown in FIGS. 1 and 2, the heat pipe 14 protruding outward from the heat transfer plate 16 And is specifically formed to be perpendicular to the surface of the heat pipe 14. The heat pipe 14 is formed to have a protruding structure on one end surface thereof.

이때 효과적인 방열을 위해 상기 방열판(17)은 히트파이프(14)의 일단부에 복수 개로 형성되는 것이 바람직하며, 각 방열판(17)들은 일정 간격으로 이격되어 배치된다.In order to effectively dissipate heat, the heat radiating plates 17 are preferably formed at one end of the heat pipe 14, and the heat radiating plates 17 are spaced apart from each other at regular intervals.

이러한 방열판(17)은 히트파이프(14)의 방열핀 역할을 하여 효과적인 응축(condensation) 및 방열이 일어날 수 있도록 함과 동시에, 고분자 복합재 시트(13)의 양측에서 상전이부(15)의 일측을 밀폐하는 역할을 한다.The heat dissipating plate 17 serves as a heat dissipating fin of the heat pipe 14 so that effective condensation and heat dissipation can take place and at the same time the heat dissipating plate 17 seals one side of the phase transition portion 15 on both sides of the polymer composite sheet 13 It plays a role.

구체적으로 설명하면, 고분자 복합재 시트(13)의 양끝단에는 상하 양측의 열전달판(16)과 방열판(17) 및 모듈 케이스(미도시)에 의해 둘러싸여 밀폐되는 공간부가 각각 형성되고, 이 공간부에 상전이부(15)가 삽입된 형태로 구성되게 된다. Specifically, at both ends of the polymer composite sheet 13, space portions sealed and enclosed by heat transfer plates 16, heat radiating plates 17 and module cases (not shown) on both upper and lower sides are respectively formed, And the phase change portion 15 is inserted.

도 1과 같이 구성되는 모듈(10)은 모듈 케이스(미도시) 내에 삽입되어 장착되는데, 이때 열 제어 플레이트(12)의 전후 양측 가장자리(방열판(17)이 형성되지 않은 부위임)가 모듈 케이스의 내벽면에 밀착됨으로써 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 가장자리에 배치되는 상전이부(15)는 열전달판(16)과 방열판(17) 및 모듈 케이스에 의해 둘러싸인 구조로 밀폐되게 된다.1 is inserted and mounted in a module case (not shown). At this time, both front and rear edges of the thermal control plate 12 (a portion where the heat sink 17 is not formed) The phase change portion 15 disposed on the right and left edges of the polymer composite sheet 13 by being in close contact with the inner wall surface is sealed by the structure surrounded by the heat transfer plate 16, the heat sink 17, and the module case.

따라서, 상기 상전이부(15)는 열 제어 플레이트(12)의 양측 가장자리에 밀폐되어 구성되고, 이에 상전이를 일으켜 액화될 시 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.Therefore, the phase change portion 15 is configured to be closed at both side edges of the thermal control plate 12, and when the phase change occurs, the phase change portion 15 can be prevented from flowing out to the outside.

또한, 이렇게 열 제어 플레이트(12)에 히트파이프(14)를 적용함으로써 배터리 셀(11)의 열이 지속적으로 발산되는 경우 히트파이프(14)의 효과적인 방열에 의해 상전이부(15)의 상전이 소재의 열용량과 무관하게 배터리의 적정온도 유지가 가능하게 된다.When the heat of the battery cell 11 is continuously diverged by applying the heat pipe 14 to the thermal control plate 12 in this way, the heat transfer of the phase transition material of the phase transition portion 15 It is possible to maintain an appropriate temperature of the battery regardless of the heat capacity.

상기와 같이 구성되는 열 제어 플레이트(12)는 도 1에 보이듯이 배터리 셀(11)의 면적에 비해 일정 폭만큼 크게 제작되며, 따라서 셀(11)들 사이에 적층될 시 열 제어 플레이트(12)의 양측 가장자리가 셀(11)의 바깥쪽으로 상기 일정 폭만큼 돌출된 구조가 된다.1, the heat control plate 12 is manufactured to have a predetermined width larger than the area of the battery cell 11, so that the heat control plate 12, which is stacked between the cells 11, Of the cell 11 are projected outwardly by the predetermined width.

이에 이웃한 열 제어 플레이트(12) 사이에는 좌우 양측으로 각각 일정 공간이 형성되고, 모듈(10) 제작시 상기 일정 공간에는 단열재로 된 절연체(18)가 삽입되며, 이에 각 절연체(18)는 배터리 셀(11)의 양측면에 닿아있는 형태로 이웃하여 구성된다.A predetermined space is formed between the adjacent thermal control plates 12 at both left and right sides. When the module 10 is manufactured, an insulator 18 made of a heat insulating material is inserted into the predetermined space, And are adjacent to each other in such a manner as to touch both sides of the cell (11).

구체적으로 상기 절연체(18)는 절연 및 단열 특성이 있는 폴리우레탄 폼이나 일반 엘라스토머 등으로 제작될 수 있으며, 이에 저온환경에서 배터리 셀(11) 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하고 외부의 차가운 공기가 유입되는 것을 차단하여 단열효과를 높일 수 있으며, 이에 따라 저온의 구동환경에서 배터리의 성능저하를 방지하게 된다.Specifically, the insulator 18 may be made of a polyurethane foam or a general elastomer having insulation and heat insulating properties, thereby preventing the heat inside the battery cell 11 from being discharged to the outside in a low temperature environment, It is possible to prevent the inflow of air, thereby increasing the heat insulating effect, thereby preventing deterioration of the performance of the battery in a low-temperature driving environment.

상기 절연체(18)는 탄성을 지닌 폴리우레탄 폼이나 엘라스토머 등의 소재를 활용함으로써 저온의 환경에서도 탄성을 보유하게 되어 외부 충격이나 차체의 진동으로부터 안정성과 내구성을 유지할 수 있게 된다.The insulator 18 retains elasticity even in a low temperature environment by using a material such as polyurethane foam or elastomer having elasticity, so that it is possible to maintain stability and durability against external shock or vibration of the vehicle body.

또한, 앞서 언급된 고분자 복합재 시트(13)는 셀의 부피변화에 대한 효과적인 대응이 가능하도록 탄성을 지닌 열가소성 엘라스토머 수지(thermoplastics elastomer, TPE)와 열전도도가 높은 고열전도성의 필러로 이루어진 복합재로 제작되며, 즉 매트릭스 수지인 열가소성 엘라스토머 수지에 고열전도성 필러를 충진한 복합재 시트가 된다.In addition, the above-mentioned polymer composite sheet 13 is made of a composite material composed of a thermoplastic elastomer (TPE) having elasticity and a high thermal conductivity filler having high thermal conductivity so as to be able to cope with the volume change of the cell effectively That is, a composite sheet obtained by filling a thermoplastic elastomer resin, which is a matrix resin, with a high thermal conductive filler.

여기서, 열가소성 엘라스토머 수지로는 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 등이 사용될 수 있고, 고열전도성 필러로는 열전도도가 우수한 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브, 카본블랙(carbon black), 보론나이트라이드(boron nitride), 스틸 파이버, 실버 파우더, 알루미늄 나이트라이드(aluminium nitride) 중에 선택된 1종이 사용되거나 2종 이상이 혼합 사용될 수 있다.Thermoplastic polyurethane (TPU) and styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) may be used as the thermoplastic elastomer resin. Examples of the thermally conductive filler include graphite, carbon nanotube, carbon black carbon black, boron nitride, steel fiber, silver powder, aluminum nitride, or a mixture of two or more of them may be used.

상기 필러는 고분자 복합재 시트(13)의 전체 100 중량%에 대해 30 ~ 50 중량% 로 함유되는 것이 바람직하며, 만약 함량이 30 중량% 미만이면 원하는 열전도 특성을 얻을 수 없게 되고 함량이 50 중량% 를 초과하면 원하는 경도 이상이 되어 배터리 셀의 부피변화에 대응할 수 있게 된다.The filler is preferably contained in an amount of 30 to 50% by weight based on 100% by weight of the entire polymer composite sheet 13. If the content is less than 30% by weight, desired heat conduction characteristics can not be obtained and the content is less than 50% The desired hardness is exceeded, so that it is possible to cope with the volume change of the battery cell.

예컨대, 상기 고분자 복합재 시트(13)는 열가소성 엘라스토머 수지 50 ~ 70 중량% 와 필러 30 ~ 50 중량% 로 된 조성물로 이루어질 수 있다.For example, the polymer composite sheet 13 may be composed of 50 to 70% by weight of a thermoplastic elastomer resin and 30 to 50% by weight of a filler.

한편, 상기와 같은 열 제어 플레이트(12)가 배터리 셀(11)들 사이마다 층간 삽입되어 구성된 모듈(10)의 열 제어 원리를 도 3을 참조로 하여 설명하면 다음과 같다.The thermal control principle of the module 10 having the above-described thermal control plate 12 interposed between the battery cells 11 will be described with reference to FIG.

배터리 셀(11)의 고속 충전, 고출력, 및 반복 충전 등에 의해 열이 발생하게 되면, 셀(11)의 표면과 첫번째로 접촉된 열전달판(16)을 통해 이동된 열이 고분자 복합재 시트(13)를 거쳐 히트파이프(14)로 전달되어 흡수되며, 흡수된 열은 히트파이프(14)의 일반적인 작동 메커니즘에 따라 외부로 방열된다.When heat is generated by fast charging, high output, and repeated charging of the battery cell 11 or the like, the heat transferred through the heat transfer plate 16 firstly contacting the surface of the cell 11 is transferred to the polymer composite sheet 13, The absorbed heat is dissipated to the outside according to the normal operating mechanism of the heat pipe 14. [

알려진 바와 같이, 히트파이프는 외벽을 구성하는 파이프 본체 내측에 다공성 파이버 등의 다공질 소재로 된 내벽이 구비된 구조를 가지며, 열원에 의해 일측(가열부)이 가열되면 내부의 작동유체(working fluid)가 기화되어 반대쪽(방열부)으로 흐르게 되며 흘러간 반대쪽에서 방열되어 액화되면 모세관 현상에 의해 상기 내벽을 타고 상기 일측으로 되돌아오게 된다. 이러한 히트파이프의 구조 및 작동원리는 도 4와 같이 나타낼 수 있다.As is known, a heat pipe has a structure in which an inner wall made of a porous material such as a porous fiber is provided inside a pipe body constituting an outer wall. When one side (a heating part) is heated by a heat source, (The heat-radiating portion), and when the heat is radiated on the opposite side of the flow-through, it flows back on the inner wall by the capillary phenomenon. The structure and operation principle of such a heat pipe can be shown in Fig.

따라서, 상기 히트파이프(14)는 열원인 배터리 셀(11)로부터 전달받은 열을 가열부(고열전도성의 열전달판(16)과 고분자 복합재 시트(13)를 통해 셀(11)과 접합되어 있는 일단부임)에서 흡수하게 되고, 이때 흡수된 열에 의해 내부의 작동유체가 기화된다.The heat pipe 14 is connected to the cell 11 through a heat transfer plate 16 and a polymer composite sheet 13. The heat pipe 14 is connected to a heat source And the internal working fluid is vaporized by the absorbed heat.

기화된 작동유체(즉, 가스분자)는 분압차와 온도구배에 의해 히트파이프(14)의 반대편 끝의 방열부(방열판(17)이 형성되어 있는 일단부임)로 이동하게 되고, 방열부에서 대류에 의한 방열효과를 얻게 된다.The vaporized working fluid (that is, the gas molecules) is moved to the heat radiating portion (the one end where the heat radiating plate 17 is formed) at the opposite end of the heat pipe 14 by the partial pressure difference and the temperature gradient, The heat dissipation effect by the heat dissipation device can be obtained.

즉 배터리 셀(11)에서 발생한 열은 열전달판(16)과 고분자 복합재 시트(13)를 거쳐 두께방향으로 전달되어 히트파이프(14)의 유로(flow channel)에 전달되며, 이는 히트파이프(14)의 유로를 따라 이동중인 가스분자에 에너지를 공급하여 가스분자의 이동을 가속화시키게 되는데, 이에 의해 방열 효율이 더욱 증대된다.The heat generated in the battery cell 11 is transmitted in the thickness direction through the heat transfer plate 16 and the polymer composite sheet 13 and is transferred to the flow channel of the heat pipe 14, The gas molecules are moved along the flow path to accelerate the movement of the gas molecules, thereby further increasing the heat dissipation efficiency.

이때, 히트파이프(14)의 방열부로 이동되는 열 에너지 중 일부는 방열부로 이동되는 중 상전이부(15)를 거치면서 상전이부(15)로 흡수되며, 이에 상전이부(15)에서 흡열에 의한 상전이 현상이 일어나 상전이부(15)에 열 에너지가 저장된다.At this time, a part of the heat energy transferred to the heat radiation portion of the heat pipe 14 is absorbed into the phase transition portion 15 through the middle phase transition portion 15 moved to the heat dissipation portion, and the phase transition due to endothermic And the thermal energy is stored in the phase change portion 15.

그리고, 상기 히트파이프(14)의 방열부에서 대류에 의한 방열 현상이 발생함에 따라 응축에 의해 작동유체의 가스분자(기화된 작동유체)가 액화되고, 액화된 액상의 작동유체는 히트파이프(14) 내벽에서의 모세관 현상에 의해 다시 가열부로 이동하게 된다.As the heat radiation due to the convection occurs in the heat radiating portion of the heat pipe 14, the gas molecules (vaporized working fluid) of the working fluid are condensed by condensation, and the liquefied working fluid flows through the heat pipe 14 ) Is moved back to the heating part by the capillary phenomenon at the inner wall.

한편, 상기 상전이부(15)는 주변 환경이 셀(11)의 정상 작동을 위한 적정온도보다 저온으로 내려갈 경우 액상의 상전이 소재가 고화됨과 동시에 열을 방출하게 되고, 이때 방출된 열은 열전달판(16)을 통해 이동되어 배터리 셀(11)로 전달되며 이에 셀(11)을 정상 작동을 위한 적정온도 범위로 히팅하게 된다.When the ambient temperature of the phase change unit 15 is lower than the proper temperature for normal operation of the cell 11, the phase transition material of the liquid phase is solidified and simultaneously the heat is released. At this time, 16 and transferred to the battery cell 11 to heat the cell 11 to an appropriate temperature range for normal operation.

이때 셀(11)의 좌우 양측에 접합되어 있는 절연체(18)가 셀(11) 내부의 열이 방출되는 것을 방지하고 외부의 차가운 공기를 차단함으로써 단열효과를 높이게 된다.At this time, the insulator 18 bonded to both the left and right sides of the cell 11 prevents the heat inside the cell 11 from being released and cuts the external cold air, thereby enhancing the heat insulating effect.

이와 같이 이루어지는 저온 환경에서의 셀(11)의 히팅은 절연체(18)를 이용하여 셀(11)을 단열함으로써 그 효과를 얻을 수 있다.The heating of the cell 11 in such a low-temperature environment can obtain the effect by inserting the cell 11 by using the insulator 18.

따라서, 본 발명에 따른 배터리 셀 모듈(10)은 배터리 셀(11)이 발열하여 적정 작동온도 이상으로 승온시 열 제어 플레이트(12)로 전달된 열이 히트파이프(14)를 통해 방열됨과 동시에 전달된 열 에너지 중 일정량의 열 에너지가 상전이부(15)의 상전이 소재에 저장되고, 저장된 열 에너지는 저온 환경에서 구동시 셀(11)의 성능저하 방지를 위한 히팅에 사용될 수 있어 항시 적정한 배터리의 구동온도를 유지할 수 있게 되며, 이에 배터리 시스템의 안정성 및 신뢰성 향상과 더불어 기존의 공냉식 방열 시스템 대비 컴팩트하게 구성되며 단위 부피당 에너지밀도의 향상에 따른 출력향상을 기대할 수 있다.Accordingly, the battery cell module 10 according to the present invention is configured such that the heat transferred to the thermal control plate 12 when the battery cell 11 is heated to a temperature higher than the proper operating temperature is dissipated through the heat pipe 14, A predetermined amount of heat energy is stored in the phase transition material of the phase change part 15 and stored heat energy can be used for heating to prevent the performance of the cell 11 when the cell 11 is driven in a low temperature environment, The temperature can be maintained. Thus, the stability and reliability of the battery system can be improved, and the battery system can be compactly constructed compared with the conventional air-cooling type heat dissipation system, and the output can be improved as the energy density per unit volume is increased.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modified forms are also included within the scope of the present invention.

10 : 배터리 셀 모듈
11 : 배터리 셀
12 : 열 제어 플레이트
13 : 고분자 복합재 시트
14 : 히트파이프
15 : 상전이부
16 : 열전달판
17 : 방열판
18 : 절연체10: Battery cell module
11: Battery cell
12: Thermal control plate
13: Polymer composite sheet
14: Heat pipe
15: Phase transition section
16: heat transfer plate
17: heat sink
18: Insulator

Claims

배터리 셀들 사이에 층간 삽입되는 계면부품으로서,
배터리 셀의 부피변화에 대응하기 위한 탄성을 가지며, 열가소성 엘라스토머 수지에 열전도성 필러를 혼합하여 이루어지는 고분자 복합재 시트(13);
상기 고분자 복합재 시트(13)의 상하 양면에 각각 접합되는 열전달판(16);
상기 고분자 복합재 시트(13)의 좌우 양측면에 각각 이웃하여 배치되며, 상전이 소재와 함께 열전도성 필러를 포함하는 상전이부(15);
상기 고분자 복합재 시트(13)에 평판방향으로 삽입되며, 일단부가 상전이부(15)의 바깥쪽으로 돌출되는 한 쌍의 히트파이프(14);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
An interfacial component intercalated between battery cells,
A polymer composite sheet (13) having elasticity corresponding to a change in the volume of the battery cell, the polymer composite sheet (13) comprising a thermoplastic elastomer resin and a thermally conductive filler;
A heat transfer plate (16) bonded to both upper and lower surfaces of the polymer composite sheet (13);
A phase transition portion (15) disposed adjacent to both left and right sides of the polymer composite sheet (13) and including a thermally conductive filler together with a phase change material;
A pair of heat pipes (14) inserted into the polymer composite sheet (13) in the direction of the flat plate and one end projecting outward of the phase transition part (15);
And a heat control plate for the battery cell module.

청구항 1에 있어서,
상기 한 쌍의 히트파이프(14)는 고분자 복합재 시트(13)의 중심을 기준으로 서로 대칭을 이루도록 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method according to claim 1,
Wherein the pair of heat pipes (14) are symmetrical with respect to the center of the polymer composite sheet (13).

청구항 1에 있어서,
상기 히트파이프(14)는 방열 면적을 증대하기 위하여 일단부에 하나 이상의 방열판(17)을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method according to claim 1,
Characterized in that the heat pipe (14) has at least one heat sink (17) at one end to increase the heat radiation area.

청구항 1에 있어서,
상기 열전달판(16)은 각각 고분자 복합재 시트(13)보다 일정 폭만큼 크게 형성되어 상전이부(15)의 상하 일면까지 연장된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method according to claim 1,
Wherein the heat transfer plate (16) is formed to have a width larger than a width of the polymer composite sheet (13), and extends up to one side of the phase transition section (15).

청구항 1에 있어서,
상기 상전이부(15)는 상전이 소재 60 ~ 80 중량% 와 필러 20 ~ 40 중량% 로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method according to claim 1,
Wherein the phase change portion (15) comprises 60 to 80% by weight of the phase change material and 20 to 40% by weight of the filler.

청구항 5에 있어서,
상기 상전이 소재로는 라우르산(lauric acid)과 노나데칸(nonadecane) 중 선택된 1종이 사용되고, 상기 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 스틸파이버, 실버 파우더 중 선택된 1종이 사용되거나 또는 선택된 2종 이상이 혼합 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method of claim 5,
The phase transition material may be one selected from the group consisting of lauric acid and nonadecane. Examples of the filler include graphite, carbon nanotubes, carbon black, boron nitride, aluminum nitride, steel fiber, , Or a mixture of two or more selected ones is used as the heat control plate for the battery cell module.

청구항 1에 있어서,
상기 고분자 복합재 시트(13)는 열가소성 엘라스토머 수지 50 ~ 70 중량% 와 필러 30 ~ 50 중량% 로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer composite sheet (13) comprises 50 to 70% by weight of a thermoplastic elastomer resin and 30 to 50% by weight of a filler.

청구항 7에 있어서,
상기 열가소성 엘라스토머 수지로는 TPU(thermoplastic polyurethane)와 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 중 선택된 1종이 사용되고, 고열전도성 필러로는 그라파이트, 탄소나노튜브, 카본블랙, 보론나이트라이드, 스틸 파이버, 실버 파우더, 알루미늄 나이트라이드 중 선택된 1종이 사용되거나 2종 이상이 혼합 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈용 열 제어 플레이트.
The method of claim 7,
As the thermoplastic elastomer resin, one selected from thermoplastic polyurethane (TPU) and styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) may be used. Examples of the high thermal conductive filler include graphite, carbon nanotubes, carbon black, boron nitride, A powder, and an aluminum nitride, or a mixture of two or more thereof.

청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 열 제어 플레이트(12)를 이웃한 배터리 셀(11)들 사이에 층간 삽입하여 구성되며,
이웃한 열 제어 플레이트(12) 사이에는 배터리 셀의 양측면에 이웃하는 절연체(18)가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
A heat control plate (12) as claimed in any one of claims 1 to 8 is interposed between neighboring battery cells (11)
And an insulator (18) adjacent to both sides of the battery cell is interposed between the neighboring thermal control plates (12).

청구항 9에 있어서,
상기 절연체(18)는 탄성을 지닌 단열재로 된 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
The method of claim 9,
Wherein the insulator (18) is made of a heat insulating material having elasticity.

청구항 9에 있어서,
상기 절연체(18)로는 폴리우레탄 폼과 엘라스토머 중 선택된 1종이 사용되거나 또는 2종이 혼합 사용되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 모듈.
The method of claim 9,
The battery cell module according to claim 1, wherein the insulator (18) is made of one selected from a polyurethane foam and an elastomer.