KR20110030225A - 신규한 구조의 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 중대형 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들과 상기 방열부재들을 일체로 연결하는 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 장착되어 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 열교환 부재를 통해 제거되는 구조로 이루어져 있고, 상기 방열부재는 전지셀들 사이의 계면에 개재되어 있는 본체부, 적층된 전지셀들의 외부로 노출된 상태로 상기 본체에 연속되어 있는 연결부, 및 상기 연결부를 중심으로 양측 방향으로 수직 연장된 상태로 상기 열교환 부재에 접촉하는 상면부를 포함하며, 상기 연결부는 본체부보다 두꺼운 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

신규한 구조의 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 중대형 전지팩 {Battery Module Having Heat Dissipation Member of Novel Structure and Battery Pack Employed with the Same}
본 발명은 신규한 구조의 방열부재를 포함하는 전지모듈 및 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 적층되어 있는 전지모듈로서, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들과 상기 방열부재들을 일체로 연결하는 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 장착되어 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 열교환 부재를 통해 제거되는 구조로 이루어져 있고, 상기 방열부재는 소정의 본체부, 연결부, 및 상면부를 포함하고 있는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전 기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
즉, 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지모듈의 크기를 고려하여, 많은 전지셀들을 적층할수록 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로들을 형성하게 되는데, 이로 인해 냉각 구조의 설계가 복잡해지는 문제점이 발생한다. 즉, 냉매의 유입구 대비 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로는 높은 압력 손실을 유발하게 되어, 냉매의 유입구 및 배출구의 형태와 위치 등을 설계하는데 많은 어려움이 따른다. 또한, 이러한 압력 손실을 방지하기 위하여 팬이 추가적으로 설치되기도 하므로, 전력 소모와 팬 소음, 공간 등과 같이 설계상의 제약이 따를 수 있다.
더욱이, 냉각 구조의 구성시 사용되는 동일한 두께의 부재 또는 상기 부재의 이격 공간 등에 따라, 설계시에 의도한 냉각 효율성이 얻어지지 못하는 경우가 자 주 발생한다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 냉매 유로의 형성을 최소화하고, 방열부재의 특정한 구조에 의해 높은 열전도율을 달성함으로써, 전지모듈 전체의 크기 증가를 억제하면서 전체온도를 균일하게 하여 온도편차를 줄일 수 있는 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은, 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들과 상기 방열부재들을 일체로 연결하는 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 장착되어 있으며, 충 방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 열교환 부재를 통해 제거되는 구조로 이루어져 있고, 상기 방열부재는 전지셀들 사이의 계면에 개재되어 있는 본체부, 적층된 전지셀들의 외부로 노출된 상태로 상기 본체부에 연속되어 있는 연결부, 및 상기 연결부를 중심으로 양측 방향으로 수직 연장된 상태로 상기 열교환 부재에 접촉하는 상면부를 포함하며, 상기 연결부는 본체부보다 두꺼운 두께로 이루어져 있다.
일반적으로, 전지모듈은 냉매 유로의 형성을 위해 전지셀들을 소정의 거리만큼 이격된 상태로 적층하여 구성하고, 이러한 이격된 공간으로 공기를 유동('공냉식')시켜 전지셀들의 과열을 방지하고 있으나, 충분한 방열 효과는 얻고 있지 못하는 실정이다.
이에 반해, 본 발명의 전지모듈은 둘 이상의 전지셀 계면들에 다수의 방열부재를 개재하고, 이를 일체로 연결하는 열교환 부재를 전지셀 적층체의 일측에 부가함으로써, 전지셀들 사이에 이격 공간을 필요로 하지 않거나 매우 작은 이격 공간만으로도, 종래의 냉각 시스템보다 높은 효율성으로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 방열 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.
또한, 본 발명의 전지모듈은 전지셀로부터 열교환 부재로의 높은 열전도율을 나타낼 수 있도록 방열부재의 연결부가 본체부보다 두꺼운 두께로 이루어져 있어서, 이러한 특정한 설계의 방열부재들과 열교환 부재의 결합에 의해, 전지셀로부터 발생한 열을 열교환 부재로의 열전도에 의해 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 방열부재는 열전도성인 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 높은 열전도성의 금속 판재로 이루어질 수 있다. 이러한 방열부재들은 각각의 전지셀 계면에 개재될 수도 있고, 일부의 전지셀 계면들에만 개재될 수도 있다. 예를 들어, 방열부재들이 각각의 전지셀 계면에 개재되는 경우, 각각의 전지셀들은 양면에서 서로 다른 방열부재들과 접촉 상태를 이루게 된다. 반면에, 방열부재가 일부의 전지셀 계면들에만 개재되는 경우, 양면 중 일면에서만 방열부재와 접촉 상태를 이루는 전지셀들이 일부 존재할 수 있다.
상기 열교환 부재 또한, 열전도성이 우수한 소재라면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는, 열전도성과 기계적 강도가 다른 소재들에 비해 높은 금속 소재로 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 방열부재와 열교환 부재는 상호 연결됨으로써 효율적으로 열전달을 이룰 수 있다.
방열부재의 방열 효율은 그것의 표면적에 영향을 받는다. 여기서, 방열부재의 표면적은 본체부, 연결부 및 상면부의 면적의 합을 의미한다. 이러한 측면에서, 전지셀들 계면들에 개재되는 방열부재의 본체부는, 바람직하게는, 전지셀의 일측 측면적의 70 내지 120%의 크기를 가지는 것으로 구성할 수 있다.
상기 본체부의 크기가 너무 작은 경우에는 전지셀들의 열을 용이하게 전달하기 어렵고, 반대로 너무 큰 경우에는 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되므로 바람직하지 않다.
또한, 방열부재의 표면적은 연결부의 두께 및 상면부의 너비 등에 의해서도 영향을 받는다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험을 통해, 본 발명에 따른 구조를 가진 전지모듈에서, 방열부재의 본체부를 모듈 케이스를 경유하여 열교환 부재에 연결하는 역할을 하는 연결부가 열전달의 병목 구간으로 작용하므로, 연결부의 구조에 따라 본체부로부터 열교환 부재로의 열전도율이 크게 변화될 수 있음을 확인하였다.
특히, 연결부가 앞서 설명한 바와 같이 본체부보다 두꺼운 두께로 이루어져 있을 때, 열교환 부재로의 열전달시 초래되는 장애가 크게 해소될 수 있음을 확인하였다.
하나의 바람직한 예에서, 연결부의 두께는 본체부의 두께에 대해 1.2 내지 8.0 배일 수 있는 바, 두께차가 상기 범위보다 작으면 소망하는 효과를 기대하기 어려우며, 반대로 상기 범위보다 큰 경우에는 전지모듈의 설계에 제약이 크고 두께 증가에 따른 열전도율의 증가가 크지 않으므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 1.2 내지 5.0 배이고, 특히 바람직하게는 1.2 내지 3.5 배일 수 있다.
연결부의 두께가 본체부의 두께보다 큰 구조는 다양할 수 있다.
하나의 예로서, 연결부는 상기 범위의 두께를 가지면서 본체부측 단부가 상면부측 단부와 동일한 두께를 가지는 구조일 수 있다.
또 다른 예로서, 연결부는 본체부측 단부로부터 상면부측 단부 방향으로 두께가 증가하는 구조일 수 있다. 그러한 하나의 예로는, 수직 단면상으로 좌우측 대칭형의 아치 구조를 들 수 있지만 그것으로 한정되는 것은 아니다.
그러나, 연결부와 본체부의 두께 관계가 상기 예들로 한정되지 않음은 물론이다.
한편, 열교환 부재는 방열부재의 상면부에 장착될 수 있으며, 상기 장착 방법은 용접이나, 기계적 체결 등 다양하게 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 열교환 부재에는 냉매의 유동을 위한 하나 또는 둘 이상의 유로가 형성될 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재에 물 등과 같은 액상 냉매의 유동을 위한 냉매 유로를 형성함으로써, 종래의 공냉식 구조에 비해 높은 신뢰성으로 우수한 냉각 효과를 발휘할 수 있다.
구체적으로, 열교환 부재는 방열부재들이 하단면에 밀착되어 있는 기저부, 상기 기저부에 연결되어 있고 냉매 유로가 길이방향으로 관통해 있는 양 측면부들, 및 상기 양 측면부들 사이에서 기저부로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 전지셀로부터 방열부재로 전달된 열이 기저부의 하단면에 밀착되어 전도되고, 양 측면부들을 관통한 냉매 유로를 통한 수냉 및 상기 방열핀들로부터 소정의 공냉을 이룸으로써, 전지셀의 방열을 효과적으로 수행할 수 있다.
열교환 부재는 전지셀 적층체의 일측에 장착되어 전지셀로부터 발생한 열을 용이하게 제거하는 구조라면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는, 모듈 케이스의 상단면 상에 장착되는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 모듈 케이스의 상단부에는 열교환 부재를 수용할 수 있는 크기의 만입부가 형성되어 있고, 상기 만입부 상에 장착된 열교환 부재의 높이는 모듈 케이스의 상단면의 높이와 동일하거나 그 보다 낮은 구조로 형성되어 있을 수 있다. 이러한 구조는, 다수의 전지모듈들을 열교환 부재가 장착된 방향으로 적층 하는 경우에도, 열교환 부재로 인한 적층의 어려움이 없으므로, 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제조함에 있어서 바람직할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지셀은 열융착을 위한 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 우수한 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 가벼운 중량의 파우치형 전지일 수 있다.
이러한 전지셀은, 예를 들어, 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있을 수 있다. 이러한 구조는 외주면 단부 부위에 열융착에 의한 실링부가 형성되어 있는 전지에 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 구조에서, 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 상기 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 전지셀이 내장된 다수 개의 카트리지들을 적층하고 상기 카트리지 사이에 방열부재를 개재하였을 때, 프레임 외면에 장착된 상기 탄성 가압부재는 카트리지 적층체의 구조적 안정성을 높이고, 방열부재가 카트리지 적층체에 효과적으로 고정될 수 있도록 해 준다.
상기 카트리지는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있으므로, 1 개의 전지셀이 장착되는 경우뿐만 아니라, 2 개 이상의 전지셀이 장착되는 구조로 가능하다. 예를 들어, 카트리지의 내부에 2 개의 전지셀들이 장착되는 구조에서 는, 전지셀들 사이에 중간 프레임을 추가로 장착함으로써, 하나의 전지셀이 상부 프레임과 중간 프레임 사이에 장착되고, 나머지 전지셀이 중간 프레임과 하부 프레임 사이에 장착될 수 있다. 이러한 구조에서도, 방열부재가 각 전지셀의 외면에 접하게 되도록 구성할 수 있으므로, 열전도에 의한 방열효과를 발휘할 수 있다.
상기 탄성 가압부재는 프레임 상에 장착되어 전지모듈의 구성시 방열부재를 고정할 수 있는 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 프레임의 외면 중 상측과 하측, 및/또는 좌측과 우측 상에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 방열부재가 프레임 외면에 장착된 탄성 가압부재에 의해 효과적으로 밀착 가압되어, 프레임에 대한 방열부재의 고정력을 높여주는 역할을 하므로, 방열부재의 고정을 위한 추가적인 부재의 사용을 필요로 하지 않는다.
경우에 따라서는, 탄성 가압부재가 전지셀의 실링부에 접하는 프레임의 내면에 추가로 장착될 수 있음은 물론이다.
하나의 바람직한 예에서, 전지셀은 개방 측면이 프레임으로부터 돌출된 상태로 프레임에 장착되고, 탄성 가압부재는 전지셀 개방 측면의 돌출 높이보다 큰 높이로 프레임의 외면에 장착되어 있는 구조일 수 있다.
즉, 전지셀의 높이보다 낮게 형성된 프레임은 전지셀의 외주부만을 고정하므로, 돌출된 개방 측면을 통해 효과적인 방열을 이룰 수 있다. 또한, 전지셀의 돌출된 개방 측면의 높이보다 높게 장착된 탄성 가압부재는, 방열부재 개재시 전지셀의 개방 측면까지 효과적으로 가압하면서 밀착시킬 수 있으므로, 이를 사용하는 전지모듈의 크기 증가를 유발하지 않으면서 전체적인 기계적 강성을 높일 수 있다.
프레임의 외면에 장착되는 탄성 가압부재는 압박시 탄성 가압력을 발휘하는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 탄성적 물성의 고분자 수지일 수 있다. 이러한 고분자 수지는 소재 자체의 특성상 탄성력을 발휘하거나 또는 구조 내지 형태 상으로 탄성력을 발휘하는 소재일 수 있다. 전자의 대표적인 예로는 고무를 들 수 있으며, 후자의 예로는 고분자 수지를 발포한 구조 등을 들 수 있다.
상기 프레임 상에 탄성 가압부재를 장착하는 방식은 다양할 수 있으며, 더욱 효율적인 장착을 위해, 바람직하게는 프레임의 외면에 그루브가 형성되어 있고, 탄성 가압부재는 그러한 그루브 상에 장착되는 구조일 수 있다.
탄성 가압부재의 폭은 프레임의 폭을 기준으로 10% 이상의 폭 크기를 가질 수 있다. 프레임의 폭을 기준으로 탄성 가압부재의 폭이 너무 작은 경우에는 그것의 장착에 따른 효과를 발휘하기 어려울 수 있으며, 이와는 반대로, 탄성 가압부재의 폭이 너무 큰 경우에는, 압박시 탄성 변형된 가압부재가 방열부재의 많은 면을 커버하여 방열 효과를 저하시킬 수 있으며, 또는 프레임 외부로 돌출될 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 문제점을 유발하지 않는다면 탄성 가압부재의 폭이 상기 범위를 넘어설 수도 있음은 물론이다.
한편, 중대형 전지팩의 경우 고출력 대용량의 성능 확보를 위해 다수의 전지셀들 사용되는 바, 이러한 전지팩을 구성하는 전지모듈들은 안전성의 확보를 위해 더욱 높은 방열 효율성이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 전지모듈을 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조되는 중대형 전지팩을 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 등의 전원에 바람직하게 사용될 수 있다.
특히, 장시간에 걸쳐 전지팩을 통한 높은 출력이 요구되는 전기자동차와 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 경우, 높은 방열 특성이 요구되는 바, 그러한 측면에서 본 발명에 따른 전지팩은 전기자동차와 플러그-인 하이브리드 전기자동차에 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 판상형 전지셀의 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 판상형 전지셀(100)은 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스(110)에 내장된 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체(도시하지 않음)로 구성되어 있고, 전지케이스(110)의 상부와 하부에 전극조립체와 전기적으로 연결된 양극단자(120)와 음극단자(130)가 외부로 돌출되어 있다. 표현의 간략화를 위하여, 열융착에 의해 전지케이스(110)의 외주면에 형성되는 실링부위는 별도로 나타내지 않았다.
전지케이스(110)에 수지층이 포함되어 있으므로, 금속 케이스의 경우보다 전지셀 내부의 방열이 용이하지 않으며, 특히, 이러한 전지셀들(100)이 다수 적층된 구조의 전지모듈에서는 낮은 방열에 의한 성능 저하, 낮은 안전성 등이 문제가 될 수 있다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 평면 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 전지 카트리지의 A 방향에 따른 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지 카트리지(200)는 판상형 전지셀(100)을 내부에 장착하고 있고, 전지셀(100)의 전극단자(120, 130)들이 외부로 돌출되어 있다.
전지 카트리지(200)는 전지셀(100)의 측면이 개방된 상태에서 전지셀(100)의 외주부 양면(예를 들어, 실링부위)을 고정하는 한 쌍의 판상형 프레임들(300, 300')로 구성되어 있다.
프레임들(300, 300')의 외면 중 좌측과 우측 상에는 탄성 가압부재들(310, 320, 310', 320')이 길이방향으로 평행하게 장착되어 있다.
또한, 전지셀(100)은 개방 측면이 프레임들(300, 300')로부터 돌출된 상태로 프레임들(300, 300')에 장착되고, 탄성 가압부재들(310, 320, 310', 320')은 전지셀(100) 개방 측면의 돌출 높이(l)보다 큰 높이(L)로 프레임들(300, 300')의 외면에 장착되어 있다. 따라서, 방열부재(도시하지 않음) 개재시 탄성 가압부재들(310, 320, 310', 320')은 방열부재(도시하지 않음)에 대해 탄성 가압력을 발휘할 수 있다. 또한, 개재된 방열부재(도시하지 않음)는 탄성 가압부재들(310, 320, 310', 320')에 의해 전지셀(100)의 개방 측면까지 효과적으로 가압하면서 밀착시킬 수 있으므로, 이를 사용하는 전지모듈의 크기 증가를 유발하지 않으면서 효과적인 방열을 달성할 수 있다.
도 4에는 2 개의 전지셀들을 포함하는 전지 카트리지의 분해도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전지 카트리지의 평면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지 카트리지(200')는 2개의 판상형 전지셀들(100, 100')을 적층하여 내부에 장착하고 있고, 전지셀들(100, 100')의 사이에 중간 프레임(301)이 추가로 장착되어 있는 점을 제외하고는 도 2와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 구조에서, 방열부재(도시하지 않음)가 전지셀(100, 100')의 외면 각각에 접하도록 설치되어도 열전도에 의해 우수한 방열효과를 발휘할 수 있으므로, 도 2의 구조와 비교하여, 한 쌍의 프레임(300, 300') 및 중간 프레임(301)에 장착된 탄성 가압부재(310, 320)에 의해 밀착 가압되어, 결과적으로 전지모듈의 크기 증가를 최소화하면서 효과적인 방열을 달성할 수 있다.
도 6에는 도 2의 전지 카트리지 사이에 방열부재가 개재되는 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 방열부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 8에는 도 7의 방열부재의 정면도 및 부분 확대도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 우선, 방열부재(500)는 2개의 카트리지들(200) 사이에 개재되어 있다.
방열부재(500)는 열전도성이 높은 금속 판재로서, 카트리지(200) 사이의 계면에 개재되어 있는 본체부(510), 적층된 카트리지(200)의 외부로 노출된 상태로 본체부(510)에 연속되어 있는 연결부(520), 및 연결부(520)를 중심으로 양측 방향으로 수직 연장된 상태로 열교환 부재(도시하지 않음)에 접촉하는 상면부(530)를 포함하고 있다.
연결부(520)의 두께(T1) 본체부(510)의 두께(T2)보다 두꺼우며, 본체부(510)는 카트리지(200)의 일측 측면적의 대략 100%의 크기를 가지고 있다. 또한, 상면부(530)의 정면 길이(W2)는 카트리지(200)의 정면 길이(W1)와 대략 동일한 길이를 가지만 그보다 작을 수도 있음은 물론이다.
이와 같이, 최적의 방열 효율을 나타낼 수 있는 방열부재를 설계함으로써, 전지모듈의 냉각 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 9에는 도 6의 다수의 전지 카트리지 사이에 방열부재가 개재되는 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 도 6과 함께 참조하면, 8개의 카트리지들(200)이 순차적으로 적층되어 있는 전지모듈(400)에서, 4개의 방열부재들(500)은 카트리지들(200)의 일부 계면에 개재되어, 카트리지(200)에서 발생한 열(정확하게는 카트리지에 내장된 전지셀로부터 발생한 열)이 방열부재(500)로 전도되면서 높은 방열 효과를 발휘할 수 있다.
8개의 카트리지들(200) 중 프레임(300)의 외면에 장착된 탄성 가압부재들(310, 320)은 방열부재(500)가 안정적으로 프레임(300)에 장착 및 고정되는 것을 돕는다.
따라서, 충방전 과정에서 전지셀(100)로부터 발생한 열은 카트리지들(200) 사이에 개재된 방열부재(500)로 전달된 후 열교환 부재(도시하지 않음)를 통해 외부로 방출되므로, 전체적으로 콤팩트한 전지모듈 구조를 이루면서 높은 방열 효율을 달성할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 일측에 열교환 부재를 부가한 구조의 모식도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 열교환 부재의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 9와 함께 참조하면, 모듈 케이스(410)에 내장되어 있는 전지모듈(400)은 다수의 카트리지들(200)이 순차적으로 적층된 적층체의 상부에 열교환 부재(600)가 부가되어 있는 구조로 이루어져 있다.
열교환 부재(600)는 모듈 케이스(410)의 상단면 상에 장착되어 있고, 방열부재들(500)이 하단면에 밀착되어 있는 기저부(610), 기저부(610)에 연결되어 있으며 냉매 유로(621, 622)가 길이방향으로 관통해 있는 양 측면부들(620, 620'), 및 양 측면부들(620, 620') 사이에서 기저부(610)로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들(630)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
즉, 물과 같은 냉매의 유동을 위한 냉매 유로(621, 622)가 형성되어 있고, 다수의 방열핀들(630)은 공기의 유동을 위해 소정의 이격 간격(D)을 가지고 있으므로, 방열부재(500)로부터 전달된 열을 높은 신뢰성과 우수한 냉각 효율성으로 제거할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 방열부재의 우수성을 실시예를 통해 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
전지모듈을 다음과 같이 제조하였다.
1-1. 전지셀의 제조
수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 내장하여 판상형 전지셀을 제조하였다.
1-2. 방열부재의 제조
두께 0.1 mm 알루미늄 판재를 이용하여, 도 7에서와 같이, 본체부와 상면부를 형성하고, 전지셀의 일측면의 크기와 동일한 본체부와 0.2 mm 두께의 연결부를 가지도록 방열부재를 제조하였다.
1-3. 방열부재를 포함한 전지모듈의 제조
전지모듈은 도 6에서와 같이, 상기 1-1의 2개의 전지셀 계면 사이에 1-2의 방열부재를 개재하여 전지모듈의 제조하였다.
[비교예 1]
방열부재의 제조시 연결부의 두께를 본체부와 동일하게 0.1 mm로 하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전지모듈을 제조하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1에서 제작된 전지모듈과 비교예 1에서 제작된 전지모듈을 각각 준비하여 전지셀의 발열에 따른 전지모듈의 온도변화를 측정하였고, 그 결과를 각각 도 13 및 도 14와 도 15(그래프)로 나타내었다. 본 실험은 방열부재를 개재한 전지모듈에 대해 실온에서 5 분간 발열시키는 조건으로 수행하였다.
도 13에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지모듈은 온도변화 실험에서 방열부재가 대체적으로 파란색을 나타냈으며, 특히 연결부와 접하는 전지셀의 상측부는 하측부에 비해 낮은 온도를 보였다. 참고로, 파란색에 가까울수록 저온의 상태를 나타내고, 빨간색에 가까울수록 고온의 상태를 나타낸다.
즉, 방열부재 연결부의 두께가 두꺼운 경우, 전지셀의 발열을 낮출 수 있었다. 반면에, 도 14에 나타난 비교예 1의 전지모듈의 전지셀은 상대적으로 빨간색의 고온을 나타내는 부분이 많이 확인되었다.
구체적으로, 도 15의 그래프에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지모듈과 비교예 1의 전지모듈은 최대 온도가 각각 약 45 ℃와 약 43 ℃로서, 최대 온도차는 약 17%를 나타낸다.
따라서, 실시예 1은 최대 온도가 되기 전까지의 온도 분포가 상대적으로 낮기 때문에 온도에 민감한 전지셀이 노출되는 전체적인 온도 영역 역시 낮출 수 있으므로 전지의 수명을 향상시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 전지모듈은 전지셀의 발열 특성에 따라 설계 변수를 조정하여 최적화된 방열부재를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지의 방열을 촉진하기 위한 방열부재가 전지셀 계면들에 개재되어 있고, 높은 열전도율의 방열부재와 일체로 연결된 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 부가된 구조로 이루어져 있으므로, 전지모듈의 크기 증가를 최소화하면서 전지셀에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.
또한, 열교환 부재의 수냉식 냉각방법을 추가함으로써 전지셀의 방열을 높은 신뢰성으로 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 높은 방열 효율성은 전지셀 내부의 온도를 균일하게 제어하여, 궁극적으로 전지셀의 수명 및 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 판상형 전지셀의 모식도이다;
도 2는 전지 카트리지의 평면 모식도이다;
도 3은 도 2의 전지 카트리지의 A 방향에 따른 수직 단면도이다;
도 4는 2 개의 전지셀들을 포함하는 전지 카트리지의 분해도이다;
도 5는 도 4의 전지 카트리지의 평면 모식도이다;
도 6은 도 2의 전지 카트리지 사이에 방열부재가 개재되는 전지모듈의 모식도이다;
도 7은 도 6의 방열부재의 모식도이다;
도 8은 도 7의 방열부재의 정면도 및 부분 확대도이다;
도 9는 도 6의 카트리지를 다수 개 포함하고 있는 전지모듈의 모식도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 일측에 열교환 부재를 부가한 구조의 모식도이다;
도 11은 도 10의 열교환 부재를 확대한 구조의 모식도이다;
도 12 내지 도 14는 실시예 1과 비교예 1의 전지들에 대한 실험예 1 의 발열 실험 결과를 보여주는 도면 및 그래프이다.

Claims (23)

  1. 다수의 판상형 전지셀들이 모듈 케이스에 내장되어 적층되어 있는 전지모듈로서, 상기 판상형 전지셀은 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 둘 이상의 전지셀 계면들에 개재되는 다수의 방열부재들과 상기 방열부재들을 일체로 연결하는 열교환 부재가 전지셀 적층체의 일측에 장착되어 있으며, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열부재를 경유하여 열교환 부재를 통해 제거되는 구조로 이루어져 있고,
    상기 방열부재는 전지셀들 사이의 계면에 개재되어 있는 본체부, 적층된 전지셀들의 외부로 노출된 상태로 상기 본체부에 연속되어 있는 연결부, 및 상기 연결부를 중심으로 양측 방향으로 수직 연장된 상태로 상기 열교환 부재에 접촉하는 상면부를 포함하며, 상기 연결부는 본체부보다 두꺼운 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부재는 열전도성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 부재는 열전도성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 방열부재는 열전도성의 금속 판재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 열교환 부재는 열전도성의 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부재의 본체부는 전지셀의 일측 측면적의 70 내지 120%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 연결부의 두께는 본체부의 두께에 대해 1.2 내지 8.0 배인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부재의 연결부는 본체부측 단부가 상면부측 단부와 동일한 두께를 가지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부재의 연결부는 본체부측 단부로부터 상면부측 단부 방향으로 두께가 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 방열부재의 연결부는 수직 단면상으로 좌우측 대칭형의 아치 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 부재에는 냉매의 유동을 위한 하나 또는 둘 이상의 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 열교환 부재는 방열부재들의 상면부에 밀착되어 있는 기저부, 상기 기저부에 연결되어 있고 냉매 유로가 길이방향으로 관통해 있는 양 측면부들, 및 상기 양 측면부들 사이에서 기저부로부터 상향 연장되어 있는 다수의 방열핀들을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 부재는 상기 모듈 케이스의 상단면 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 케이스의 상단부에는 열교환 부재를 수용할 수 있는 크기의 만입부가 형성되어 있고, 상기 만입부 상에 장착된 열교환 부재의 높이는 모듈 케이스의 상단면의 높이와 동일하거나 그 보다 낮은 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 라미네이트 시트는 열융착의 내부 수지층, 차단성 금속층, 및 내구성을 발휘하는 외부 수지층을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있고, 상기 프레임의 외면에는 상기 방열부재가 상기 전지셀의 개방 측면에 밀착된 상태로 고정되기 위한 탄성 가압부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 상기 프레임의 외면 중 상측과 하측, 및/또는 좌측과 우측 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 전지셀은 개방 측면이 프레임으로부터 돌출된 상태로 프레임에 장착되고, 상기 탄성 가압부재는 전지셀 개방 측면의 돌출 높이보다 큰 높이로 프레임의 외면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 탄성 가압부재는 압박시 탄성 가압력을 발휘하는 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 프레임의 외면에는 그루브가 형성되어 있고, 상기 탄성 가압부재는 상기 그루브 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  22. 출력 및 용량에 대응하여 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 따른 전지모듈 둘 이상을 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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