KR20210094924A - 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20210094924A
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안문열
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은 일 방향을 따라 밀착되게 배열된 복수의 이차전지들로 구성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용할 수 있게 마련된 모듈 하우징; 상기 셀 적층체의 하단부와 상기 모듈 하우징의 바닥면 사이 공간에 구비되는 열 전도성 접착제; 및 소정의 부피를 갖는 폼과 상기 폼을 감싸는 방열 시트로 형성되고, 상기 공간에 상기 열 전도성 접착제와 혼재하게 배치되는 방열폼을 포함할 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 복수 개의 이차전지들을 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이차전지들의 고정 구조가 간단하고 경량이면서 효율적인 냉각 성능이 확보될 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
최근 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로 주목받고 있다.
소형 모바일 기기에는 하나 또는 두서너 개의 이차전지 셀들이 사용됨에 반하여, 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 이차전지 셀들을 전기적으로 연결한 배터리 모듈 또는 복수 개의 배터리 모듈들을 서로 전기적으로 연결한 배터리 팩을 사용한다.
일 예로 배터리 모듈은, 이차전지 셀들의 집합체인 셀 어셈블리, 이차전지 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결하기 위한 버스바(또는 메탈 플레이트), 전압 및 온도 센싱을 위한 센싱 어셈블리, 충방전 제어를 위한 전장 부품과 이들을 수납하기 위한 모듈 하우징으로 구성될 수 있다.
현재 상용화된 이차전지 중 가장 각광받고 있는 이차전지 중 하나는 리튬 이차전지라 할 수 있는데, 리튬 이차전지는 외장재의 형태에 따라 캔형과 파우치형으로 분류될 수 있다. 이 중 파우치형 이차전지가 에너지 밀도가 높고 적층이 용이하다는 장점으로 인해 중대형 배터리 모듈에 많이 이용되고 있다.
한편, 이차전지는 적정 온도보다 높아지는 경우 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험이 있다. 특히, 다수의 파우치형 이차전지를 적층시켜 배터리 모듈을 구성할 때에는, 좁은 공간에서 다수의 이차전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 모듈의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 따라서 다수의 이차전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 냉각 수단을 마련하여 발열을 해소할 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 간략히 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 배터리 모듈은 이차전지 셀(1)들과 모듈 하우징(2)의 바닥면 사이에 TIM(3, Thermal Interface Material)을 포함한다. 상기 TIM(3)으로는 접착성을 띄는 열 전도성 수지를 적용해 이차전지 셀들의 고정과 열전달이 동시에 이루어질 수 있도록 하고 있다. 미도시 하였으나 상기 모듈 하우징(2)의 바닥면 외측면에는 히트 싱크가 배치될 수 있다. 이 경우, 이차전지 셀(1)들의 열은 TIM(3)을 매개로 모듈 하우징(2)의 바닥면으로 효과적으로 전달되고, 모듈 하우징(3)의 열은 히트싱크에 의해 냉각될 수 있다.
이 같은 종래 배터리 모듈은, 이차전지 셀들을 고정하고 동시에 열 전달 성능을 안정적으로 확보하기 위해 이차전지 셀들의 하단부와 모듈 하우징의 바닥면 사이 공간 전체에 TIM을 채워야 한다. 그런데 이때 필요한 TIM의 양이 적지 않기 때문에 배터리 모듈의 중량이 증가하게 되는 단점이 있다. 따라서 배터리 모듈의 경량화를 위해서는 상기 TIM의 양을 줄일 필요가 있다. 하지만, 무작정 TIM의 양을 줄이면 기존보다 이차전지 셀들의 고정성 및 열 전달율이 저하될 것이 명백하므로 이에 대한 해결 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0054300호 (2019.05.22) 현대자동차주식회사
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 열 전도성 수지와 같은 TIM의 양을 기존보다 적게 사용하면서 이차전지 셀들의 고정성과 열 전달 성능을 충분히 확보할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 일 방향을 따라 밀착되게 배열된 복수의 이차전지들로 구성된 셀 적층체; 상기 셀 적층체를 내부에 수용할 수 있게 마련된 모듈 하우징; 상기 셀 적층체의 하단부와 상기 모듈 하우징의 바닥면 사이 공간에 구비되는 열 전도성 접착제; 및 소정의 부피를 갖는 폼과 상기 폼을 감싸는 방열 시트로 형성되고, 상기 공간에 상기 열 전도성 접착제와 혼재하게 배치되는 방열폼을 포함할 수 있다.
상기 방열 시트는 그라파이트(Graphite) 소재로 형성될 수 있다.
상기 모듈 하우징은, 열 전도성 재질로서 상기 모듈 하우징의 바닥면을 형성하는 바틈 플레이트; 상기 셀 적층체의 좌우 측면부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트; 및 상기 셀 적층체의 상단부를 커버하는 탑 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 열 전도성 접착제는 적어도 상기 방열폼의 상면보다 높은 위치까지 도포될 수 있다.
상기 방열폼은 육면체 형상 또는 롤 형상으로 마련되고, 상기 바틈 플레이트에 상호 간 소정 간격을 두고 행렬로 복수 개가 배치될 수 있다.
상기 방열폼은 상기 바틈 플레이트의 좌우 폭의 길이만큼 연장된 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트의 전후 방향으로 상호 간 소정 간격을 두고 복수 개가 배치될 수 있다.
상기 방열폼은 그 하면이 상기 바틈 플레이트의 표면에 접촉하게 배치되고, 상기 셀 적층체는 하단부의 적어도 일부분이 상기 방열폼의 상면에 접촉하게 배치되어 열 전달 및 완충될 수 있다.
상기 바틈 플레이트의 길이 방향에 따른 양쪽 끝단에서 각각 소정 거리 안쪽에 위치하고 상기 바틈 플레이트의 표면으로부터 소정 높이를 갖는 벽체를 형성하여 상기 열 전도성 접착제를 일정 영역 안에 가두는 펜스 부재들을 더 포함할 수 있다.
상기 바틈 플레이트의 하부에 접촉하게 배치되어 상기 바틈 플레이트의 열을 흡수하는 히트 싱크를 더 포함할 수 있다.
상기 폼은 폴리우레탄(polyurethane) 소재로 형성될 수 있다.
상기 이차전지들은 상하 방향으로 세워지고 좌우방향으로 상호 밀착되게 마련될 수 있다.
상기 이차전지들은 파우치형 이차전지 또는 각형 이차전지일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 이차전지 셀들의 고정과 열 전달을 위해 열 전도성 수지를 사용하는 종래 배터리 모듈에 비해 상대적으로 열 전도성 수지의 양을 현저히 줄일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 열 전도성 수지의 양을 줄이는 대신 그보다 가벼운 방열폼을 상기 열 전도성 수지와 혼용함으로써 종래 배터리 모듈보다 경량화될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 상기 방열폼들이 완충 기능과 열 전달 기능을 수행해줌으로써 이차전지셀들의 안정성과 냉각성이 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 펜스 부재를 둠으로 열 전도성 수지를 도포하고 셀 적층체를 바틈 플레이트 상에 안착시키는 과정에서 열 전도성 수지가 바틈 플레이트 면적 범위 밖으로 넘치지 않도록 하면서 셀 적층체를 바틈 플레이트에정확하고 수월하게 배치할 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 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 모듈의 냉각 구성을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 주요 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
도 4는 도 3의 방열폼을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 바틈 플레이트에 방열폼들을 배치한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 바틈 플레이트에 열 전도성 접착제를 도포한 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 I-I'에 따른 단면도이다.
도 8은 도 3의 A 영역 확대도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 펜스 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 6에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 주요 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 단면도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 셀 적층체(10), 모듈 하우징(20), 열 전도성 접착제(30), 방열폼(40)을 포함할 수 있다.
상기 셀 적층체(10)는 일 방향을 따라 밀착되게 배열된 복수 개의 이차전지들로 구성될 수 있다. 상기 이차전지로는 파우치형 이차전지, 각형 이차전지 또는 원통형 이차전지가 채용될 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈은 파우치형 이차전지를 사용하여 셀 적층체를 형성한 것으로, 도면에 도시한 바와 같이, 파우치형 이차전지들을 상하 방향(±Z축)으로 세우고 좌우 방향(±Y)으로 밀착되게 배열하여 형성한 셀 적층체를 구비한다.
상기 파우치형 이차전지(11)는 전극 조립체와 전해질 그리고 이들을 패키징하기 위한 파우치 외장재로 구성될 수 있다. 여기서 전극 조립체는 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성되는 것으로 당업계에 널리 알려진 것이므로 자세한 설명을 생략한다.
파우치 외장재는 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 특히 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 상기 알루미늄 박막은, 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차전지(11) 내부의 구성요소나 이차전지(11) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층과 내부 접착층 사이에 개재될 수 있다.
또한, 파우치 외장재는 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트로 구성될 수 있으며, 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 수납부가 구성될 수 있다. 그리고 이러한 파우치의 수납부에 전극 조립체가 수납될 수 있다. 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트의 외주면에는 실링부가 구비되고 이러한 실링부의 내부 접착층이 서로 열 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 수납부가 밀폐되도록 할 수 있다.
한편, 전극 조립체의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드(11a)와 연결될 수 있다. 그리고 전극 리드(11a)는 좌측 파우치 시트와 우측 파우치 시트의 실링부 사이에 개재되어 파우치 외장재의 외부로 노출됨으로써, 이차전지(11)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 셀 적층체(10)의 전방과 후방에 버스바 프레임(12)이 장착될 수 있다. 상기 버스바 프레임(12)에는 금속 플레이트 형태로 마련된 버스바(13)가 미리 결정된 패턴으로 복수 개가 구비될 수 있다. 예컨대, 2개 이상의 이차전지(11)의 양극 리드들을 겹쳐서 상기 버스바(13)의 일측에 용접하고, 다른 2개 이상의 이차전지(11)의 음극 리드들을 겹쳐서 동일한 버스바(13)의 타측에 용접하는 방식으로 셀 적층체(10)를 구성하는 모든 이차전지(11)들을 직렬 및/또는 병렬 연결할 수 있다.
모듈 하우징(20)은 셀 적층체(10)를 내부에 수용하고 외부 충격 등으로부터 보호할 수 있게 마련된 구조물로서, 기계적 강성이 높은 금속 재질로 제작될 수 있다. 물론, 모듈 하우징(20)이 금속 재질에 한정되어야 하는 것은 아니다. 예컨대 모듈 하우징(20)은 절연성 확보를 위해 비금속 재질로 제작될 수도 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 모듈 하우징(20)은 바틈 플레이트(21), 한 쌍의 사이드 플레이트(22,23), 탑 플레이트(24)를 포함할 수 있다.
상기 바틈 플레이트(21)는 모듈 하우징(20)의 바닥면을 형성하는 부분으로 셀 적층체(10)의 하단부 전체를 지지할 수 있는 대략 넓은 면적의 판상체 형태로 마련될 수 있다. 특히, 바틈 플레이트(21)는 셀 적층체(10)로부터 전도된 열이 모듈 하우징(20)의 외부로 잘 방열될 수 있도록 열 전도성이 우수한 재질로 제작하는 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 사이드 플레이트(22,23)는 상기 셀 적층체(10)의 좌우 측면부를 커버할 수 있도록 마련될 수 있다. 본 실시예는 상기 바틈 플레이트(21)와 한 쌍의 사이드 플레이트(22,23)를 일체형으로 대략 "U 자형" 내지 "ㄷ" 자형 프레임 형태로 제작하였다. 이러한 대략 U자형 프레임 내부 공간에 셀 적층체(10)가 놓이게 되며 셀 적층체(10)가 상기 사이드 플레이트(22,23)들에 의해 압박될 수 있다.
다시 말하면, 본 실시예는 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(21)에 안착시켰을 때, 셀 적층체(10)에서 최외곽에 위치한 양쪽 이차전지(11)의 넓은 면이 사이드 플레이트(22,23)와 대면 접촉하고 소정의 압박을 받도록 모듈 하우징(20)을 구성한 것이며, 이로써 셀 적층체(10)의 고정성 및 열 전달율 개선, 그리고 충방전 시 이차전지(11)들의 팽창을 완화를 도모할 수 있다.
탑 플레이트(24)는 셀 적층체(10)의 상단부를 커버할 수 있도록 마련된 판상체로서 상기 사이드 플레이트(22,23)의 상단부에 결합될 수 있다. 예컨대, 탑 플레이트(24)는 사이드 플레이트(22,23)에 후킹, 볼팅, 용접, 압입 등의 방식으로 연결되게 마련될 수 있다.
본 실시예의 모듈 하우징(20)은 크게 "U 자형" 프레임과 탑 플레이트(24)로 구성된다고 볼 수 있지만, 본 실시예와 달리, 사각 관 형태로 제작하거나 4개의 판상체를 서로 후킹, 볼팅, 용접, 압입 등의 방식으로 결합하여 모듈 하우징(20)을 구성하여도 좋다.
열 전도성 접착제(30)는 셀 적층체(10)를 상기 모듈 하우징(20) 속에 고정시키고 각 파우치형 이차전지(11)들의 열이 모듈 하우징(20)에 잘 전달될 수 있도록 하는 역할을 하는 구성 요소이다.
구체적으로 도 3을 참조하면, 상기 열 전도성 접착제(30)는 셀 적층체(10)의 하단부와 모듈 하우징(20)의 바닥면 사이 공간, 다시 말하면, 각 파우치형 이차전지(11)들의 하단 에지 부분과 바틈 플레이트(21)의 상면 사이 공간에 개재될 수 있다.
본 실시예는 바틈 플레이트(21)의 상면에 상기 열 전도성 접착제(30)를 도포하고 그 위에 셀 적층체(10)를 안착시켜 열 전도성 접착제(30)가 상기 공간에 구비될 수 있도록 한 것이다.
그러나 본 실시예와 달리, 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(21)의 상면에 먼저 배치한 다음 열 전도성 접착제(30)를 모듈 하우징(20) 내부에 충진하는 것도 가능하다. 이 경우, 바틈 플레이트(21)에는 작은 주입홀들이 구비될 수 있으며, 상기 주입홀들을 통해 열 전도성 접착제(30)를 모듈 하우징(20) 내부에 주입하여 바틈 플레이트(21)의 상면에 고르게 퍼트릴 수도 있다.
이같이 열 전도성 접착제(30)를 사용함으로써, 셀 적층체(10)와 바틈 플레이트(21)는 상호 간 간단하게 접착 고정될 수 있다. 또한, 셀 적층체(10)를 구성하는 모든 파우치형 이차전지(11)의 하단 에지 부분과 바틈 플레이트(21) 사이 공간에 열 전도성 접착제(30)가 채워져 공기층이 없어짐으로써 이차전지(11)의 열이 바틈 플레이트(21)로 빠르게 전달될 수 있다.
상기 열 전도성 접착제(30)로는 열 전도성 에폭시 접착제, 열 전도성 실리콘 접착제, 열 전도성 우레탄 접착제 등 다양한 유기 및/또는 무기 수지가 채용될 수 있다. 상기 열 전도성 수지는 일반적인 접착제에 비해, 열전도율이 높기 때문에 파우치형 이차전지(11)와 바틈 플레이트(21) 사이에서 열 전달량 및 열 전달속도 등을 더욱 높일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 셀 적층체(10)의 하단부와 모듈 하우징(20)의 바닥면 사이 공간에 개재되는 하나 이상의 방열폼(40)들을 더 포함한다.
상기 방열폼(40)들은 상기 공간에 열 전도성 접착제(30)와 혼재하도록 바틈 플레이트(21)의 상면에 배치될 수 있다. 후술하겠지만, 이러한 본 발명의 구성에 따르면, 열 전도성 접착제(30)를 사용하는 종래 다른 배터리 모듈보다 경량화된 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
구체적으로 상기 방열폼(40)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 압축성 및 복원성을 갖는 스펀지 내지 폼(41)과 상기 폼(41)의 외측 둘레를 감싸는 방열 시트(43)로 구성될 수 있다.
상기 폼(41)은 압축성, 복원성, 내열성을 갖는 폴리우레탄(polyurethane) 소재로 마련될 수 있다. 본 발명의 방열폼(40)은 이러한 폼(41)을 심재로 채용하고 있어 가볍고 열원에 충격을 가하지 않을 수 있다.
또한, 방열폼(40)은 상기 폼(41)이 육면체 형상으로 형성되어 있어 셀 적층체(10)의 하단부를 안정적으로 지지할 수 있다. 다만, 상기 폼(41)의 형상은 그 적용 위치와 주변 조건에 따라 다양한 형상과 사이즈로 제작될 수 있다. 이를테면, 롤 형상이나 계단 형상, 절곡 형상 등 다양한 형상과 사이즈로 구현될 수 있다.
상기 방열 시트(43)는 열 전도성이 우수한 알루미늄, 동, 은 또는 그라파이트 등이 채용될 수 있다. 본 실시예는 상기 소재들 중에서 특히 그라파이트(Graphite)를 방열 시트(43)의 소재로 채용한 것이다.
그라파이트는 탄소의 일종으로 탄소는 고온에서 생산되는데 이러한 탄소를 한번 더 고온(2000~3000℃)에서 태운 것이다. 이러한 그라파이트는 일반 탄소에 비해 고온에서 생산되었기 때문에 열에 강하고 탄성이 뛰어나다. 또한, 그라파이트는 알루미늄, 동, 은보다 경량이고 슬림하면서도 내부에 있는 열을 외부로 방출하는 특성이 우수하다.
특히, 기존의 열 전도 목적의 (알루미늄, 실리콘 소재)시트 또는 패드가 종방향, 즉 두께 방향의 방열 효과가 있는데 그치는데 반해, 그라파이트 소재의 방열 시트(43)는 횡방향, 즉 면 방향의 방열 효과도 매우 우수하다. 따라서 그라파이트는 발열원의 열을 단시간에 넓게 확산시켜 발열원의 온도를 낮추는데 효과적일 수 있다.
이처럼 그라파이트 소재의 방열 시트(43)로 육면체 형상의 폼(41)을 감싸서 방열폼(40)을 구성함으로써, 상기 방열폼(40)을 열원과 열원의 열을 흡수할 수 있는 금속판 사이 공간, 즉 셀 적층체(10)의 하단부와 바틈 플레이트(21) 사이 공간에 볼륨감 있게 개재할 수 있으면서도 이차전지(11)들의 열을 바틈 플레이트(21)에 효과적으로 전달할 수 있다. 이때 상기 방열폼(40)은 상술한 바와 같이, 탄력성이 있어 이를 셀 적층체(10)의 하단부와 바틈 플레이트(21) 사이에 배치하여도 이차전지(11)나 바틈 플레이트(21)에 과도한 압력을 가하지 않으므로 접촉 상대물에 변형을 초래하지 않는다.
따라서 본 발명의 배터리 모듈은 상기 방열폼(40)들의 부피만큼 열 전도성 접착제(30)의 양을 줄일 수 있어 그 무게가 경량화될 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여, 상기 열 전도성 접착제(30)와 방열폼(40)의 적용예를 더 자세히 설명하기로 한다.
방열폼(40)들은, 도 5에 도시한 바와 같이, 바틈 플레이트(21)에 상호 간 소정 간격을 두고 가로(X축)와 세로(Y축) 방향으로 이격 배치될 수 있다. 다시 말하면, 방열폼(40)들은 바틈 플레이트(21) 상에 (5×7)의 행렬로 배치될 수 있다. 이때, 방열폼(40)들을 바틈 플레이트(21)의 표면에 접착시켜 놓아 행렬이 흐트러지지 않도록 하는 것이 좋다.
도시하지 않았으나, 바틈 플레이트(21)의 미리 지정된 위치마다 방열폼(40) 사이즈에 대응하는 홈을 마련하고 상기 홈에 방열폼(40)을 개재 및 고정시키는 것도 좋은 대안이 될 수 있다. 이 경우 바틈 플레이트(21) 상에 방열폼(40)들을 더 정확하고 빠르게 정렬할 수 있을 것이다.
그리고 도 6과 같이, 열 전도성 접착제(30)를 바틈 플레이트(21) 상에 추가로 도포한다. 이때, 상기 열 전도성 접착제(30)는 적어도 상기 방열폼(40)의 상면보다 높은 위치까지 충진될 수 있도록 한다. 이는 추후 셀 적층체(10)를 안착하는 과정에서 셀 적층체(10)의 하단부와 바틈 플레이트(21) 사이 공간에 공기층에 형성되지 않게 하고 이차전지(11)의 에지 부분과 방열폼(40)들 및 바틈 플레이트(21) 간에 접착성 및 열 전도성이 안정적으로 확보하기 위함이다.
이렇게 열 전도성 접착제(30)와 방열폼(40)이 구비된 바틈 플레이트(21) 상에 셀 적층체(10)를 안착시킨다. 이때 셀 적층체(10)의 무게로 인해 셀 적층체(10)의 하단부, 즉 이차전지(11)들의 하단 에지 부분은 방열폼(40)들의 상면에 접촉하게 놓이고, 열 전도성 접착제(30)는 사방으로 퍼져서 이차전지(11)들 사이 사이의 공간으로 스며들게 된다.
본 발명은 이와 같이 배터리 모듈을 구성함으로써, 셀 적층체(10)가 바틈 플레이트(21)에 접착 고정될 수 있고, 도 7의 화살 표시와 같이, 각각의 이차전지(11)들에서 발생하는 열이 이차전지(11)들의 하단 에지 부분에서 열 전도성 접착제(30) 또는 방열폼(40)들로 전달되고, 열 전도성 접착제(30) 및 방열폼(40)들의 열은 바틈 플레이트(21)를 통해 히트 싱크(60) 또는 외기로 방출될 수 있다.
이때, 특히 그라파이트 소재의 방열 시트(43)는 면 방향으로의 열 전도가 우수하다. 따라서 상기 방열 시트(43)는 이차전지(11)들에서 흡수한 열을 단시간에 바틈 플레이트(21)에 전달하고 열을 넓게 확산시켜 이차전지(11)들의 온도를 낮추는데 효과적으로 작용할 수 있다.
그리고 방열폼(40)들은 심재가 우레탄 소재의 폼(41)으로 되어 있어 매우 가볍고 압축복원력도 가지고 있다. 따라서 방열폼(40)들과 이차전지(11)의 에지 부분 및 바틈 플레이트(21) 간에 밀착성도 충분히 확보될 수 있고, 또한 방열폼(40)들이 배터리 모듈 외부에서 가해지는 충격이나 진동을 완충시키는 작용을 할 수 있어 이차전지(11)들이 받게 될 충격량을 줄일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 배터리 모듈은 상기 바틈 플레이트(21)의 길이 방향에 따른 양쪽 끝단에서 각각 소정 거리 안쪽에 위치하고 상기 바틈 플레이트(21)의 표면으로부터 소정 높이를 갖는 벽체를 형성하여 상기 열 전도성 접착제(30)를 일정 영역 안에 가둘 수 있는 펜스 부재(50)를 더 포함할 수 있다.
도 2 및 도 8 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 펜스 부재(50)는 바틈 플레이트(21)의 폭 방향 (±Y축) 길이에 대응하는 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트(21)의 상면에 도포된 열 전도성 접착제(30)의 두께보다 높은 높이를 갖도록 마련될 수 있다.
이러한 펜스 부재(50)는 셀 적층체(10)를 상기 바틈 플레이트(21)에 안착하는 과정에서 상기 열 전도성 접착제(30)가 전후 방향으로 유실되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 펜스 부재(50)는 예컨대, 충격 흡수가 가능한 메모리 폼(Foam) 또는 고무 재질로 형성된 패드 타입으로 바틈 플레이트(21)의 상면에 탈부착할 수 있게 마련될 수 있다. 따라서 셀 적층체(10)를 안착하는 과정에서 실수로 파우치형 이차전지(11)의 셀 바디 또는 셀 테라스(11b) 부위가 펜스 부재(50)에 부딪혀도 손상이 최소화될 수 있다. 또한, 펜스 부재(50)가 탈부착이 가능함으로 열 전도성 접착제(30)의 도포량 또는 파우치형 이차전지(11)의 사이즈에 따라 펜스 부재(50)의 위치를 조정할 수 있다.
또한, 펜스 부재(50)는 셀 테라스(11b)의 일부분을 수직으로 끼워 넣을 수 있게 형성된 슬릿(51)들을 더 구비할 수 있다. 셀 적층체(10)를 바틈 플레이트(21)의 상면에 안착하는 과정에서 각각의 파우치형 이차전지(11)들의 셀 테라스(11b)의 하단부들을 상기 슬릿(51)들에 수직으로 끼워 넣어서, 상기 셀 테라스(11b)의 하단부들이 구겨지거나 찢기는 일이 없도록 할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈은 상기 바틈 플레이트(21)에 축적되는 열을 보다 빠르게 방열시키기 위한 히트 싱크(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 히트 싱크(60)는 열원과 접촉하여 그 열을 흡수하는 역할을 하는 구성품으로서, 내부에 냉매(62)가 흐를 수 있게 마련되고 바틈 플레이트(21)의 하면에 접촉하게 배치되는 판상체 형태로 구현될 수 있다.
상기 유로에 흐르는 냉매(62)는 유로에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나 이것에 한정하지 않고, 흐름이 발생하는 것이면, 부동액, 가스 냉매, 공기 등이어도 적용 가능하다.
히트 싱크(60)는 열전도성이 높은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 소재로 제작될 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 구리, 금, 은도 가능하다. 금속 이외의 질화알루미늄, 탄화규소와 같은 세라믹 물질도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 구성에 따르면, 셀 적층체(10)를 모듈 하우징(20)의 바닥면에 고정하고 그 열이 효과적으로 전달될 수 있으면서도 방열폼(40)들의 부피만큼 열 전도성 접착제(30)의 양을 줄일 수 있어 종래 유사한 컨셉의 배터리 모듈들 보다 배터리 모듈이 경량화될 수 있다.
도 10은 도 6에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 간략히 설명하기로 한다.
이전 도면들과 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈은 각각의 방열폼(40A)들이 바틈 플레이트(21)의 좌우 폭의 길이만큼 연장된 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트(21)의 전후 방향으로 상호 간 소정 간격을 두고 이격 배치되게 구성될 수 있다.
이러한 본 실시예의 구성에 따르면 방열폼(40A)과 바틈 플레이트(21)의 접촉을 더 넓게 하여 열을 더 넓게 확산시킴으로써 더욱 빠르게 이차전지(11)들의 온도를 낮출 수 있다. 또한, 방열폼(40A)의 길이가 바틈 플레이트(21)의 좌우 폭의 길이만큼 연장됨으로써 모든 파우치형 이차전지(11)의 하단 에지 부분이 방열폼(40A)의 상면에 접촉되어 지지될 있어 전술한 실시예보다 셀 적층체(10)가 더욱 안정적으로 방열폼(40A)으로 지지 및 완충될 수 있다는 이점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 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 모듈을 포함할 수 있다. 특히, 전기 자동차와 같이 배터리로부터 구동력을 얻는 자동차의 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능은 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능으로 안정적이고 안전한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10 : 셀 적층체
11 : 파우치형 이차전지
11a : 전극 리드
11b : 셀 테라스
20 : 모듈 하우징
21 : 바틈 플레이트
22,23 : 사이드 플레이트
24 : 탑 플레이트
30 : 열 전도성 접착제
40 : 방열폼
41 : 폼
43 : 방열 시트
50 : 펜스 부재
60 : 히트 싱크

Claims (14)

  1. 일 방향을 따라 밀착되게 배열된 복수의 이차전지들로 구성된 셀 적층체;
    상기 셀 적층체를 내부에 수용할 수 있게 마련된 모듈 하우징;
    상기 셀 적층체의 하단부와 상기 모듈 하우징의 바닥면 사이 공간에 구비되는 열 전도성 접착제; 및
    소정의 부피를 갖는 폼과 상기 폼을 감싸는 방열 시트로 형성되고, 상기 공간에 상기 열 전도성 접착제와 혼재하게 배치되는 방열폼을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열 시트는 그라파이트(Graphite) 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은,
    열 전도성 재질로서 상기 모듈 하우징의 바닥면을 형성하는 바틈 플레이트; 상기 셀 적층체의 좌우 측면부를 커버하는 한 쌍의 사이드 플레이트; 및 상기 셀 적층체의 상단부를 커버하는 탑 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열 전도성 접착제는 적어도 상기 방열폼의 상면보다 높은 위치까지 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방열폼은 육면체 형상 또는 롤 형상으로 마련되고, 상기 바틈 플레이트에 상호 간 소정 간격을 두고 행렬로 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 방열폼은 상기 바틈 플레이트의 좌우 폭의 길이만큼 연장된 길이를 갖고, 상기 바틈 플레이트의 전후 방향으로 상호 간 소정 간격을 두고 복수 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 방열폼은 그 하면이 상기 바틈 플레이트의 표면에 접촉하게 배치되고,
    상기 셀 적층체는 하단부의 적어도 일부분이 상기 방열폼의 상면에 접촉하게 배치되어 열 전달 및 완충되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 바틈 플레이트의 길이 방향에 따른 양쪽 끝단에서 각각 소정 거리 안쪽에 위치하고 상기 바틈 플레이트의 표면으로부터 소정 높이를 갖는 벽체를 형성하여 상기 열 전도성 접착제를 일정 영역 안에 가두는 펜스 부재들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 바틈 플레이트의 하부에 접촉하게 배치되어 상기 바틈 플레이트의 열을 흡수하는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폼은 폴리우레탄(polyurethane) 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지들은 상하 방향으로 세워지고 좌우방향으로 상호 밀착되게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지들은 파우치형 이차전지 또는 각형 이차전지인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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