KR102361272B1 - 냉각 효율이 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 셀 어셈블리가 적층되어 형성된 셀 어셈블리 적층체 및 상기 셀 어셈블리 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 모듈 본체; 및 상기 모듈 본체의 상부 및 하부에 배치되어 상기 모듈 케이스로부터 전달된 열을 방출시키는 한 쌍의 히트 싱크;를 포함하며, 상기 셀 어셈블리는, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지; 및 상기 배터리 셀의 상단과 카트리지 사이 및 상기 배터리 셀의 하단과 카트리지 사이에 형성되는 빈 공간을 충진하는 한 쌍의 열 전도성 수지층;을 포함한다.

Description

냉각 효율이 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module with improved cooling efficiency and Battery pack comprising the same}
본 발명은 냉각 효율이 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 냉각핀과 열전도성 수지층을 이용하여 향상된 냉각 효율을 나타내면서 간소화된 제조 공정을 갖는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
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 충방전이 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, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치 타입의 셀이 많이 이용된다.
하지만, 파우치 타입 셀은, 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않다. 따라서, 다수의 파우치 타입 셀을 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 프레임을 이용하는 경우가 많다.
프레임은 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있는데, 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이때 4개의 변 부분이 파우치 타입 셀의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 이러한 프레임은 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 파우치 타입 셀은 프레임이 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 종래의 배터리 모듈 구조가 나타나 있다. 이와 같은 종래의 배터리 모듈 구조는, 다수의 프레임(2)을 이용하여 다수의 파우치 타입 셀(1)이 적층되도록 하는 경우, 한 쌍의 파우치 타입 셀(1) 각각의 외측면 상에 플레이트 형태의 냉각핀(3)을 적용함으로써 냉각 효율을 높인다.
이차 전지는 여름과 같이 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있으며, 또한 이차 전지 자체적으로도 열이 발생할 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층되어 있는 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있는데, 이 온도가 적정 온도보다 높아지면 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 따라서, 배터리 모듈을 구성할 때 파우치 타입 셀(1)의 면과 접촉하도록 냉각핀(3)을 적용하고 이러한 냉각핀(3)이 그 하부에 위치한 냉각 플레이트(4)와 접촉하도록 함으로써 배터리 모듈의 전체적인 온도 상승이 방지되도록 하는 구성이 많이 이용된다.
그러나, 통상적으로 금속 재질로 구성되는 이러한 냉각핀(3)을 대면하는 파우치 타입 셀(1) 사이마다 개재시켜 배터리 모듈을 구성하는 경우, 파우치 타입 셀(1)들과 냉각핀(3)을 적층/고정시키는 공정에 시간이 많이 소요되어 생산성이 저하되고, 또한 냉각핀(3)만으로는 충분한 냉각 효과를 얻기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 공정성의 문제를 해소하고, 또한 파우치 타입 셀-냉각핀으로 이루어지는 냉각 경로 외에 추가적인 냉각 경로를 갖는 배터리 모듈 구조에 대한 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 냉각핀과 파우치 타입 셀의 결합 및 파우치 타입 셀을 모듈 케이스 내에서 결합시키는 공정을 간소화 하고, 또한 배터리 모듈의 냉각 경로를 다양하게 하여 냉각 효율을 향상시키는 것을 일 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.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 셀 어셈블리가 적층되어 형성된 셀 어셈블리 적층체 및 상기 셀 어셈블리 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 모듈 본체; 및 상기 모듈 본체의 상부 및 하부에 배치되어 상기 모듈 케이스로부터 전달된 열을 방출시키는 한 쌍의 히트 싱크;를 포함하며, 상기 셀 어셈블리는, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 수용하는 카트리지; 및 상기 배터리 셀의 상단과 카트리지 사이 및 상기 배터리 셀의 하단과 카트리지 사이에 형성되는 빈 공간을 충진하는 한 쌍의 열 전도성 수지층;을 포함한다.
상기 카트리지는 양 측이 개방된 직육면체 형태를 가지며, 상기 배터리 셀은 상기 카트리지의 내측면과 접할 수 있다.
상기 카트리지는 양 측이 개방된 직육면체 형태를 가지며, 상기 배터리 셀과 상기 카트리지의 내측 면 사이에는 절연 시트가 개재될 수 있다.
상기 배터리 셀의 상단 및 하단은 상기 열 전도성 수지층과 접할 수 있다.
상기 카트리지는 그 상면 및 하면에 상기 열 전도성 수지층의 형성을 위한 수지를 주입하기 위한 주입구 및 주입된 수지가 토출되는 토출구를 구비할 수 있다.
상기 주입구는 상기 카트리지 하면의 중심부에 형성되고, 상기 토출구는 상기 카트리지 하면의 길이 방향 양 측 단부에 형성될 수 있다.
상기 주입구는 상기 카트리지 상면의 중심부에 형성되고, 상기 토출구는 상기 카트리지 상면의 길이 방향 양 측 단부에 형성될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 모듈 본체와 히트 싱크 사이에 개재되는 한 쌍의 TIM 층(thermal interface material layer)을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 냉각핀과 배터리 모듈의 결합 공정이 간소화 되어 생산성이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 냉각핀을 이용한 열 방출 경로 이 외에 간단하면서도 효율적으로 열을 방출할 수 있는 추가적인 냉각경로를 확보함으로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 냉각 핀이 적용된 종래의 배터리 모듈 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 어셈블리 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 셀 어셈블리를 구성하는 배터리 셀을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 셀 어셈블리를 구성하는 카트리지를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 카트리지의 하면을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5 및 도 6에 각각 도시된 배터리 셀과 카트리지가 결합된 형태를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 배터리 셀과 카트리지의 결합체에 열 전도성 수지를 주입하여 셀 어셈블리를 완성시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 냉각이 이루어지는 경로를 나타내는 모식도이다.
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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전체적인 구조에 대해서 개략적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 어셈블리 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 모듈 본체(100) 및 모듈 본체(100)의 상부 및 하부에 배치되는 히트 싱크(200)를 포함할 수 있으며, 모듈 본체(100)와 히트 싱크(200) 사이에 배치되는 TIM 층(thermal interface material layer)(300)을 더 포함할 수도 있다.
상기 모듈 본체(100)는, 복수의 셀 어셈블리(121)를 적층시킨 형태를 갖는 셀 어셈블리 적층체(120)를 모듈 케이스(110)(도 10 참조) 내에 수용시킴으로써 얻어진다. 상기 복수의 셀 어셈블리(121)들은, 셀 어셈블리(121)의 가장 넓은 면끼리 서로 대면하여 접하도록 적층된다.
상기 히트 싱크(200)는, 모듈 본체(100)의 상부 및 하부에 배치되어 모듈 케이스(110)의 상면 및 하면과 직/간접적으로 접촉되어 열을 외부로 방출하는 기능을 수행한다. 즉, 모듈 본체(100)에서 발생되는 열, 좀 더 구체적으로는 후술하게 될 배터리 셀(10)로부터 발생되어 모듈 케이스(110)로 전도된 열을 외부로 방출한다.
상기 히트 싱크(200)는, 이러한 열 방출의 효율성을 향상시키기 위해 내부에 액상의 냉각 유체(예컨대, 물)를 수용할 수 있는 공간을 구비할 수 있으며, 이 경우 이러한 냉각 유체를 내부 공간으로 유입시키고 또한 유입된 냉각 유체를 외부로 유출시킬 수 있는 파이프(210)를 구비할 수 있다.
상기 히트 싱크(200)는 열전도성이 우수한 금속 재질, 예컨대 구리나 구리 합금으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 상술한 바와 같이, 모듈 본체(100)와 히트 싱크(200) 사이에 개재되는 TIM 층(300)을 더 포함할 수 있다. 이러한 TIM 층(300)은 모듈 본체(100)의 상면 및 하면과 히트 싱크(200) 사이에 접촉이 이루어지지 않는 빈 공간이 발생되지 않도록 함으로써 모듈 본체(100)로부터 히트 싱크(200)쪽으로 열 전달이 더욱 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다.
상기 TIM 층(300)은, TIM(Thermal interface material)로 이루어지는 것으로서, 이러한 TIM으로는, 예를 들어 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 보론 니트라이드(BN), 징크 옥사이드(ZnO) 등과 같이 높은 열 전도성과 낮은 전기 전도성을 갖는 물질(들)을 포함하는 서멀 그리스(Thermal greese)가 이용될 수 있다.
상기 TIM 층(300)의 개재 없이 모듈 본체(100)와 히트 싱크(200)가 서로 직접 접촉하게 되는 경우, TIM 층(300)이 개재되는 경우와 비교하여 열 전달 경로는 더욱 짧아질 수는 있다. 그러나, 금속재질 또는 플라스틱 재질 등으로 이루어지는 모듈 케이스(110)의 표면과 금속재질로 이루어지는 히트 싱크(200)의 표면간의 접합 계면에서 발생될 수 있는 빈 공간들로 인해 실질적인 열전도성이 더욱 떨어지는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 이러한 빈 공간을 TIM으로 완전히 충진시켜 실질적인 열 전도성을 향상시키기 위해 모듈 본체(100)와 히트 싱크(200)의 사이에 이러한 TIM 층(300)이 개재될 수 있는 것이다.
다음은, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 셀 어셈블리(121)의 구체적인 구조에 대해서 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 셀 어셈블리를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 셀 어셈블리를 구성하는 배터리 셀을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 6은 도 4에 도시된 셀 어셈블리를 구성하는 카트리지를 나타내는 사시도이다. 또한, 도 7은 도 6에 도시된 카트리지의 하면을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 5 및 도 6에 각각 도시된 배터리 셀과 카트리지가 결합된 형태를 나타내는 도면이다. 또한, 도 9는 도 8에 도시된 배터리 셀과 카트리지의 결합체에 열 전도성 수지를 주입하여 셀 어셈블리를 완성시키는 공정을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 복수의 셀 어셈블리(121) 각각은, 적어도 하나의 배터리 셀(10), 배터리 셀(10)을 수용하는 카트리지(20) 및 배터리 셀(10)과 카트리지(20) 사이의 빈 공간을 충진하는 열 전도성 수지층(30)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 상기 배터리 셀(10)은 파우치 타입의 배터리 셀로서, 전극 조립체(미도시), 파우치 케이스(11), 한 쌍의 전극 리드(14) 및 파우치 케이스(11)의 내측면과 전극 리드(14) 사이에 개재되는 한 쌍의 실란트(15)를 포함한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 상기 전극 조립체는, 교호적으로 반복 적층된 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 형태를 가지며, 양측 최 외각에서는 절연을 위해 세퍼레이터가 각각 위치하는 것이 바람직하다.
상기 양극판은, 양극 집전체 및 적어도 그 일 면 상에 코팅되는 양극 활물질 층을 포함하며, 일측 단부에는 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 돌출되도록 형성되는데, 이러한 양극 무지부 영역은 전극 리드(14)와 연결되는 양극탭으로서 기능한다.
마찬가지로, 상기 음극판은 음극 집전체 및 적어도 그 일 면 상에 코팅되는 음극 활물질 층을 포함하며, 일측 단부에는 음극 활물질 층이 코팅되지 않은 무지부 영역이 돌출되도록 형성되는데, 이러한 무지부 영역은 전극 리드(14)와 연결되는 음극탭으로서 기능한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 전극판끼리 직접 접촉되는 것을 방지하되, 양극판과 음극판 사이에서 전해질을 매개체로 하여 이온의 이동이 가능하도록 하기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
상기 파우치 케이스(11)는, 전극 조립체의 상부를 커버하는 상부 케이스와 하부를 커버하는 하부 케이스로 이루어질 수 있고, 상부 케이스 및 하부 케이스 각각은 최 내층에 해당하는 제1 수지층/ 중간층에 해당하는 금속층/ 최외층에 해당하는 제2 수지층으로 구성되는 다층의 파우치 필름으로 이루어질 수 있다.
이러한 파우치 필름의 최 내측면을 이루는 제1 수지층은, 상/하부 케이스가 맞닿은 상태로 열을 가하였을 때 서로 잘 융착이 될 수 있도록 하기 위해 열 융착성을 갖는 수지로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 수지층으로는 무연신 폴리프로필렌, 폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물 등이 이용될 수 있다. 상기 금속층으로는 알루미늄(Al) 등의 열전도성이 우수한 금속이 이용될 수 있다. 또한, 최 외층을 이루는 제2 수지층으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론 또는 이들의 혼합물 등이 이용될 수 있다.
상기 파우치 케이스(11)는 전극 조립체(미도시)를 수용하는 수용부(12) 및 수용부(12)의 둘레 방향으로 연장되고 전극 리드(14)가 외부로 인출된 상태로 열 융착되어 파우치 케이스(12)를 밀봉시키는 실링부(13)를 포함한다.
상기 전극 리드(14)는, 양극탭에 연결되는 양극 리드 및 음극탭에 연결되는 음극 리드로 구분되며, 양극 리드와 음극 리드 각각은 파우치 케이스(11)의 외측으로 인출된다. 본 발명의 도면에서는 한 쌍의 전극 리드(14)가 서로 다른 방향으로 인출된 경우만이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 한 쌍의 전극 리드(14)는 서로 동일한 방향으로 인출되는 것도 가능한 것이다.
한편, 도 5를 제외한 나머지 도면들에서는 배터리 셀(10)의 전극 리드(14)가 도시되어 있지 않은데, 이는 도면 도시상의 편의를 위한 것이며, 상술한 바와 같이, 본 발명에 적용되는 배터리 셀(10)에 있어서 한 쌍의 전극 리드(14)는 배터리 셀(10)의 일측 또는 양 측으로 인출된 형태를 나타낼 수 있는 것이다.
다음으로, 도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 적용되는 카트리지(20)는 배터리 셀(10)을 수용할 수 있도록 양 측이 개방되고 속이 비어 있는 직육면체의 프레임 형태를 가지며, 적어도 하나의 배터리 셀(10)이 수용되었을 때 배터리 셀(10) 또는 배터리 셀(10)들이 적층되어 이루어진 셀 적층체의 외측 면이 카트리지(20)의 내측면과 접촉될 수 있다. 또한, 상기 카트리지(20)는 배터리 셀(10)로부터 발생된 열을 방출하는 냉각핀으로서의 기능을 갖기 위해 열전도성이 우수한 알루미늄 등의 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 이러한 금속 재질의 카트리지(20)와 배터리 셀(10) 사이의 절연성을 강화하기 위해 셀 적층체의 외측 면과 카트리지(20)의 내측 면 사이에는 절연 시트가 개재될 수 있다.
이처럼 셀 적층체가 카트리지(20) 내부의 수용 공간에 삽입되도록 하기 위해, 상기 카트리지(20) 내부의 수용 공간은 배터리 셀(10) 또는 셀 적층체와 대응되는 형상 및 사이즈를 갖는다.
다만, 도 9에 도시된 바와 같이, 카트리지(20)의 내부에 열 전도성 수지층(30)이 형성되어야 하므로, 배터리 셀(10)의 상단부 및 하단부(도 6을 기준으로 볼 때 윗쪽과 아래쪽을 의미하는 것임)와 카트리지(20)의 내측면 사이에는 일정 공간(S)이 형성된다.
도 7을 참조하면, 상기 카트리지(20)는 상면 및 하면에 형성되는 주입구(20a) 및 토출구(20b)를 구비한다. 상기 주입구(20a)는 카트리지(20) 상면 및 하면의 길이 방향 중심부에 관통 형성되어 열 전도성 수지층(30)의 형성을 위한 수지 페이스트의 주입 통로로서 기능한다.
또한, 상기 토출구(20b)는 카트리지(20) 상면 및 하면이 길이 방향 양 측 단부에 관통 형성되어 주입구(20a)를 통해 주입된 열 전도성 수지 페이스트가 배터리 셀(10) 또는 셀 적층체와 카트리지(20) 사이에 형성되는 빈 공간(S)을 모두 충진했는지를 알 수 있도록 한다. 즉, 상기 카트리지(20)의 하면 중심부에 위치한 주입구(20a)를 통해 열 전도성 수지 페이스트의 주입이 시작되면 카트리지(20)의 길이방향 중심부로부터 양 측 단부를 향하는 방향으로 열 전도성 수지 페이스트가 채워지게 되며, 카트리지(20)의 길이 방향 양 측 단부에 위치하는 토출구(20b)를 통해 열 전도성 수지 페이스트가 외부로 토출되면, 작업자는 빈 공간(S)이 열 전도성 수지 페이스트로 모두 채워졌음을 알 수 있게 되어 충진 작업을 중단할 수 있게 되는 것이다.
상기 열 전도성 수지층(30)은 에폭시 등의 수지에 열 전도성을 부여하는 첨가물을 첨가시킨 소재(예컨데, 그라파이트)로 이루어진 층으로서, 열 전도성 페이스트를 배터리 셀(10)과 카트리지(20) 사이의 빈 공간(S)에 충진시킴으로써 얻어진다.
상기 열 전도성 수지층(30)은 카트리지(20) 내의 빈 공간(S)을 충진하여 배터리 셀(10)을 카트리지(20) 내에 고정시키고, 또한 배터리 셀(10)의 하부와 카트리지(20)의 내측면 사이에 빈 공간이 발생되지 않도록 하여 배터리 셀(10)로부터 카트리지(20)쪽으로 열이 잘 전달될 수 있도록 한다. 이처럼, 상기 열 전도성 수지층(30)은 고정을 위한 목적을 감안하여 열 전도성 수지 페이스트의 제조 과정에서 고분자 바인더 성분을 첨가시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 복수의 셀 어셈블리(121)를 적층시키되, 각각의 셀 어셈블리(121)마다 수지의 충진을 통해 배터리 셀(10)과 카트리지(20) 사이의 결합이 이루어지도록 함으로써 열전도성 수지층(30)을 이루는 수지의 밀도 분포가 전체적으로 고르게 형성될 수 있다.
복수의 배터리 셀(10)들을 카트리지(20) 내에 수용시키지 아니하고 직접 모듈 케이스(110) 내에 수용시킨 후 배터리 셀(10)과 모듈 케이스(110) 사이에 형성되는 공간을 수지로 충진시키는 방식으로 배터리 모듈을 제작하는 경우에는, 열전도성 수지층(30)을 이루는 수지의 밀도가 위치별로 매우 불균일하게 형성될 수 있다.
즉, 모듈 케이스(110) 내부에 수용되는 배터리 셀(10)의 개수가 많아지게 되는 경우, 배터리 셀(10)들이 모여 이루어진 셀 적층체의 두께가 매우 두꺼워지게 된다. 이 경우 모듈 케이스(110)의 상면 및/또는 하면에 주입구를 형성하여 수지를 주입하는 경우, 주입구에서 가까운 위치와 먼 위치에서의 수지의 밀도가 매우 큰 차이를 보일 수 있게 된다. 이는 제품의 품질을 고르게 나타나지 못하는 결과로 이어질 수 있는 것인데, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 최소화된 공간 내에서 수지 충진 작업이 이루어지게 되므로, 이러한 문제점을 해소할 수 있는 것이다.
다음은, 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 열의 방출 경로를 설명하기로 한다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어서 냉각이 이루어지는 경로를 나타내는 모식도이다.
도 10을 참조하면, 화살표를 따라 배터리 셀(10)에서 발생된 열이 이동하게 되고, 이로써 배터리 모듈의 냉각이 이루어지게 된다.
즉, 상기 배터리 셀(10)에서 발생된 열은 크게 두 가지 경로를 따라 이동하게 된다. 하나의 경로는 배터리 셀(10)의 넓은 면 -> 카트리지(20) -> 모듈 케이스(110) -> TIM 층(300) -> 히트 싱크(200) 로 이어지는 경로(제1 경로)이고, 또 다른 경로는 배터리 셀(10)의 상단 및 하단 -> 열 전도성 수지층(30) -> 모듈 케이스(110) -> TIM 층(300) -> 히트 싱크(200) 로 이어지는 경로(제2 경로)이다.
이처럼 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 두 가지 경로를 통해 배터리 셀(10)로부터 열을 방출함으로써 효율적인 냉각을 실현할 수 있으며, 더욱이 상기 제2 경로를 형성하는 열 전도성 수지층(30)은 냉각 효율의 향상뿐만 아니라, 배터리 셀(10)이 카트리지(20) 내에서 잘 고정되도록 함으로써 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명이 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 모듈을 구성하는 개개의 셀 어셈블리마다 개별적으로 열 전도성 수지 페이스트를 주입함으로써 열 전도성 수지층(30)을 이루는 페이스트의 도포가 매우 균일하게 이루어질 수 있고, 이로써 배터리 셀(10)과 카트리지(20) 간의 고정력 증대 및 배터리 셀(10)의 하단과 카트리지(20) 사이의 열 전도성의 극대화를 가져올 수 있는 것이다.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 적층시켜 배터리 팩을 형성할 수 있으며, 이와 같이 구현된 배터리 팩 역시 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈과 같이 우수한 냉각효율 및 제품 신뢰성을 가질 수 있게 된다.
이상에서 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.
100: 모듈 본체
110: 모듈 케이스
120: 셀 어셈블리 적층체
121: 셀 어셈블리
10: 배터리 셀
11: 셀 케이스
12: 수용부
13: 실링부
14: 전극 리드
15: 실란트
20: 카트리지
20a: 주입구
20b: 토출구
30: 열전도성 수지층
200: 히트 싱크
300: TIM 층

Claims (9)

  1. 복수의 셀 어셈블리가 적층되어 형성된 셀 어셈블리 적층체 및 상기 셀 어셈블리 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 모듈 본체; 및
    상기 모듈 본체의 상부 및 하부에 배치되어 상기 모듈 케이스로부터 전달된 열을 방출시키는 한 쌍의 히트 싱크;
    를 포함하며,
    상기 복수의 셀 어셈블리 각각은,
    복수의 배터리 셀;
    상기 복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 수용하며, 상기 배터리 셀로부터 발생된 열을 상기 모듈 케이스쪽으로 전달하는 냉각핀으로서 기능하도록 구성되는 카트리지; 및
    상기 셀 적층체가 상기 카트리지 내에서 고정되도록 하고 또한 상기 셀 적층체로부터 상기 카트리지쪽으로의 열 전달 속도를 향상시킬 수 있도록 상기 셀 적층체의 상단과 카트리지 사이 및 상기 셀 적층체의 하단과 카트리지 사이에 형성되는 빈 공간을 충진하는 한 쌍의 열 전도성 수지층;
    을 포함하고,
    상기 배터리 셀의 상단 및 하단은 상기 열 전도성 수지층과 접하며,
    상기 복수의 셀 어셈블리 각각에 구비된 카트리지들 각각은, 개개의 상기 복수의 셀 어셈블리 각각에 대해 개별적으로 상기 열 전도성 수지층의 형성을 위한 열 전도성 수지 페이스트를 주입할 수 있도록 하고 이로써 상기 열 전도성 수지 페이스트의 도포가 균일하게 이루어질 수 있도록 하기 위해, 개별적으로 그 상면 및 하면에 상기 열 전도성 수지 페이스트를 주입하기 위한 주입구 및 주입된 상기 열 전도성 수지 페이스트가 토출되는 토출구를 구비하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는 양 측이 개방된 직육면체 형태를 가지며, 상기 배터리 셀은 상기 카트리지의 내측면과 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지는 양 측이 개방된 직육면체 형태를 가지며, 상기 배터리 셀과 상기 카트리지의 내측 면 사이에는 절연 시트가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주입구는 상기 카트리지 하면의 중심부에 형성되고, 상기 토출구는 상기 카트리지 하면의 길이 방향 양 측 단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주입구는 상기 카트리지 상면의 중심부에 형성되고, 상기 토출구는 상기 카트리지 상면의 길이 방향 양 측 단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 모듈 본체와 히트 싱크 사이에 개재되는 한 쌍의 TIIM 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 배터리 팩.
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