KR20210133533A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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KR20210133533A
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이창훈
성준엽
박명기
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임의 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층, 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 포함하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하며, 상기 히트 싱크의 일단부에는 상기 모듈 프레임의 바닥부 일단부를 노출시키는 회피부가 형성된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 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.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지 셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지 셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다.
따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면도이다. 특히 도 2는 전지 모듈 아래에 위치한 열전달 부재 및 히트 싱크를 추가로 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층되어 전지셀 적층체(20)를 형성하고, 전지셀 적층체(20)는 모듈 프레임(30)에 수납된다.
앞서 설명한대로, 복수의 전지셀(11)을 포함하기 때문에 전지 모듈(10)은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 냉각 수단으로써, 전지 모듈(10)은 전지셀 적층체(20)와 모듈 프레임(30)의 바닥부(31) 사이에 위치한 열전도성 수지층(40)을 포함할 수 있다. 또한, 전지 모듈(10)이 팩 프레임에 장착되어 전지팩을 형성할 때, 전지 모듈(10) 아래에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)가 차례로 위치할 수 있다. 열전달 부재(50)는 방열 패드일 수 있으며, 히트 싱크(60)는 내부에 냉매 유로가 형성될 수 있다.
전지셀(11)로부터 발생한 열이, 열전도성 수지층(40), 모듈 프레임(30)의 바닥부(31), 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달된다.
그런데, 종래의 전지 모듈(10)의 경우, 상기와 같이 열 전달 경로가 복잡하여, 전지셀(11)로부터 발생한 열이 효과적으로 전달되기 어렵다. 모듈 프레임(30) 자체가 열 전도 특성을 저하시킬 수 있고, 모듈 프레임(30), 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60) 각각의 사이에 형성될 수 있는 에어 갭(Air gap) 등의 미세한 공기층도 열전도 특성을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
전지 모듈에 대해서는 소형화나 용량 증대와 같은 다른 요구도 계속되고 있으므로, 냉각 성능은 높이면서도 이러한 다양한 요구사항을 함께 만족할 수 있는 전지 모듈을 개발하는 것이 실질적으로 필요하다고 할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임, 상기 모듈 프레임의 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층, 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 포함하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하며, 상기 히트 싱크의 일단부에는 상기 모듈 프레임의 바닥부 일단부를 노출시키는 회피부가 형성된다.
상기 복수의 전지셀의 적층 방향에 수직한 방향을 기준으로, 상기 회피부의 경계와 일치하는 상기 히트 싱크 일단부는 상기 열전도성 수지층의 단부와 동일선상 또는 상기 열전도성 수지층의 내측에 배치될 수 있다.
상기 히트 싱크의 함몰부와 상기 바닥부가 냉매 유로를 형성하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 냉매 유로에서 유동하는 냉매와 접촉할 수 있다.
상기 회피부에서 상기 히트 싱크의 일단부와 상기 모듈 프레임 바닥부의 일단부는 용접 결합되고, 상기 용접 결합에 의해 상기 전지셀들의 적층 방향으로 용접 라인을 형성할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 일부가 돌출되어 형성된 모듈 프레임 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 히트 싱크의 일 변으로부터 상기 모듈 프레임 돌출부가 위치한 부분으로 돌출된 히트 싱크 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 모듈 프레임 돌출부는, 상기 엔드 플레이트를 지나도록 연장 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임 돌출부는 상기 모듈 프레임 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함하며, 상기 회피부는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부와 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 사이에 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 바닥부 일단부를 노출시키는 회피부는, 상기 엔드 플레이트와 상기 히트 싱크의 일단부 사이에 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 하부 프레임과, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며, 상기 하부 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고, 상기 바닥부는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분에는 상기 열전도성 수지층이 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 전지셀의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하며, 상기 제2 부분의 두께는 상기 제1 부분의 두께보다 얇을 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 제1 부분과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 패드부를 더 포함하고, 상기 패드부는 상기 열전도성 수지층과 상기 제2 부분 사이에 위치할 수 있다.
상기 히트 싱크 내부에는 상기 모듈 프레임의 바닥부를 향해 돌출된 돌출 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기에서 설명한 전지 모듈을 포함한다.
실시예들에 따르면, 냉각 일체형 전지 모듈을 구현하여 냉각 성능을 향상시킬 수 있고, 이러한 냉각 일체형 전지 모듈에서 냉각 플레이트의 구조 변형을 통해 진동 및 충격에 대한 강성을 향상시킬 수 있다.
또한, 강성이 향상됨으로써 모듈 프레임이 과도하게 변형되어 냉매 누수가 발생하여 냉각 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 따른 사시도 일부를 나타낸다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A'를 기준으로 yz 평면을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 6은 도 3의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 아래에서 위로 바라본 도면이다.
도 7은 도 6의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 8은 비교예에 따른 전지 모듈의 히트 싱크를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 절단선 C-C를 따라 자른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200) 및 전지 모듈(100)의 냉각을 위한 냉각 포트(500)를 포함한다. 또한, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 아래에 위치하는 히트 싱크(300)를 포함할 수 있고, 냉각 포트(500)를 통해 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하고, 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출할 수 있다. 구체적으로, 냉각 포트(500)는 서로 이격되어 위치하는 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)를 포함하고, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)는 팩 냉매관(미도시)와 연결될 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시티의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 열융착하여 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 플레이트(220) 및 하부 프레임(210)을 포함할 수 있다.
하부 프레임(210)은 U자형일 수 있고, 하부 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면(x축 방향과 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
상부 플레이트(220)는 하부 프레임(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 플레이트(220)와 하부 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(220)와 하부 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 플레이트(220)와 하부 프레임(210)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, 하부 프레임(210)과 상부 플레이트(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 서로 대응하는 양측(y축 방향과 그 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등의 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 연장되어 엔드 플레이트(400)를 지나도록 형성된 모듈 프레임 돌출부(211)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(211)의 상면부와 연결되는 냉각 포트(500)에 의해 유입 및 배출되는 냉매가, 모듈 프레임 돌출부(211)를 통해 히트 싱크(300)로 공급 및 히트 싱크(300)로부터 배출될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 냉각 포트(500)는, 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(500a)와 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(500b)를 포함하고, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)는 팩 냉매관(미도시)과 연결될 수 있다. 모듈 프레임 돌출부(211)는 모듈 프레임(200) 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함할 수 있고, 냉매 주입 포트(500a)는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 배치되고, 냉매 배출 포트(500b)는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 하부 플레이트(310)에는 돌출 패턴(340D)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 대면적 전지 모듈에서는, 기존에 하나의 전지 모듈 내에 대략 12개 내지 24개의 전지셀이 적층된 경우 대비하여 대략 32개 내지 48개의 전지셀이 하나의 전지 모듈 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 돌출 패턴(340D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
이하에서는, 도 4 및 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 히트 싱크에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 도 3의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 히트 싱크(300)는 모듈 프레임(200)의 하부에 형성되고, 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접 등으로 직접 결합하는 하부 플레이트(310) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 수 있다. 또한, 히트 싱크(300)는 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 모듈 프레임 돌출부(211)가 위치한 부분으로 돌출된 히트 싱크 돌출부(300P)를 포함할 수 있다.
히트 싱크 돌출부(300P)와 모듈 프레임 돌출부(211)는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합될 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)는, 하부 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(340)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(300)가 바닥부(210a)와 접하면서, 함몰부(340)과 바닥부(210a) 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(300)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
이러한 함몰부(340)는 히트 싱크 돌출부(300P)들 중 하나로부터 다른 하나로 이어질 수 있다. 팩 냉매 공급관(미도시)과 냉매 주입 포트(500a)를 통해 공급된 냉매는, 상기 제1 모듈 프레임 돌출부와 히트 싱크 돌출부(300P) 사이를 거쳐 함몰부(340)와 바닥부(210a) 사이의 공간으로 처음 유입된다. 이후, 냉매는 함몰부(340)를 따라 이동하고, 상기 제2 모듈 프레임 돌출부와 히트 싱크 돌출부(300P) 사이를 거쳐 냉매 배출 포트(500b)와 팩 냉매 배출관(미도시)을 통해 배출된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 4의 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함하는 열전도성 수지층이 위치할 수 있다. 상기 열전도성 수지층은 열전도성 수지(Thermal resin)를 바닥부(210a)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
도 2에 도시된 종래의 전지 모듈(10)은 전지셀(11)에서 발생한 열이 열전도성 수지층(40), 모듈 프레임(30)의 바닥부(31), 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)의 냉매를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달된다. 또한 히트 싱크(60)의 냉매의 유로는 히트 싱크(60) 내부에 위치한다.
반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)과 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 함으로써 냉각 일체형 구조를 구현할 수 있다. 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(300)가 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)이 장착된 전지팩 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)에서 발생한 열이 전지셀 적층체(120)와 바닥부(210a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(미도시), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a), 냉매를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달될 수 있다. 종래의 불필요한 냉각 구조를 제거함으로써, 열전달 경로가 단순화되고, 각 층 사이의 에어 갭을 줄일 수 있기 때문에 냉각 효율이나 성능이 증대될 수 있다. 특히, 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트로 구성되어, 바닥부(210a)가 바로 냉매와 맞닿기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 있다. 종래에는 도 2에 도시한 것처럼 바닥부(31)와 냉매 사이에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)의 상부 구성이 위치하여 냉각 효율이 떨어지는 것과 비교될 수 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조의 제거를 통해 전지 모듈(100)의 높이가 감소하여, 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있다. 나아가, 전지 모듈(100)이 콤팩트하게 배치될 수 있으므로, 전지 모듈(100)을 다수 포함하는 전지팩의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300) 중 함몰부(340)가 형성되지 않은 하부 플레이트(310) 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(200)에 수용된 전지셀 적층체(120)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 하부 플레이트(310)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 하부 플레이트(310) 내측에 형성된 함몰부(340)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 대부분의 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 도 7을 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함된 히트 싱크에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 도 3의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 아래에서 위로 바라본 도면이다. 도 7은 도 6의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 일단부에는 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 일단부를 노출시키는 회피부(300A)가 형성될 수 있다. 회피부(300A)는 모듈 프레임(200) 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부(211a)와 제2 모듈 프레임 돌출부(211b) 사이에 형성될 수 있다. 회피부(300A)는 제1 모듈 프레임 돌출부(211a)와 대응하는 제1 히트 싱크 돌출부(300P1)와 제2 모듈 프레임 돌출부(211b)에 대응하는 제2 히트 싱크 돌출부(300P2) 사이에 형성될 수 있다. 회피부(300A)는 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 일측에서 평면상에서 볼 때, 히트 싱크(300)의 일 모서리가 중심부를 향해 후퇴하여 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 노출된 영역일 수 있다. 회피부(300A)는 엔드 플레이트(400)와 히트 싱크(300)의 일단부 사이에 형성될 수 있다.
도 7을 참고하면, 복수의 전지셀(110)의 적층 방향에 수직한 방향(y축 방향)을 기준으로, 회피부(300A)의 경계와 일치하는 히트 싱크(300) 일단부는 열전도성 수지층(350)의 단부와 동일선상 또는 열전도성 수지층(350) 내측에 배치될 수 있다. 다시 말해, 열전도성 수지층(350)의 단부는 기준면(RP)이 되고, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 일단부는 기준면(RP)과 동일선상 또는 기준면(RP) 내측에 배치될 수 있다. 또, 회피부(300A)에서 히트 싱크(300)의 일단부와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)의 일단부는 용접 결합되어 용접 라인(BL)을 형성할 수 있다. 용접 라인(BL)은, 전지셀(110)들의 적층 방향(y축 방향)으로 길게 뻗도록 형성될 수 있다.
도 8은 비교예에 따른 전지 모듈의 히트 싱크를 나타내는 도면이다. 도 9는 도 8의 절단선 C-C를 따라 자른 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 비교예에 따른 전지 모듈에서는, 복수의 전지셀(110)의 적층 방향에 수직한 방향(y축 방향)을 기준으로, 히트 싱크(30) 일단부는 열전도성 수지층(350)의 단부에 해당하는 기준면(RP) 바깥쪽에 배치될 수 있다. 이에 따라, 히트 싱크(300)의 일단부와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)의 일단부의 용접 결합에 의해 형성되는 용접 라인(BL)은 전지셀(110)들이 적층된 전지셀 적층체를 고정시키는 열전도성 수지층(350)과 중첩하지 않는 영역에 형성된다. 따라서, z축 방향으로의 진동 및 충격이 발생하는 경우에, 전지 모듈에 과도한 변형이 발생할 수 있다. 이러한 변형에 의해 히트 싱크(30)와 모듈 프레임(200) 바닥부(210a)의 접합이 떨어질 수 있고, 냉매 누설이 발생하여 냉각 성능이 떨어질 수 있다.
이에 반해, 도 6 및 도 7에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에서 변형이 심하게 발생하는 부분을 회피하여 히트 싱크(300)와 모듈 프레임(200)이 용접 등으로 결합됨으로써, 진동 및 충격에 의한 파손 위험을 줄일 수 있다. 이에 따라, 냉매 누설 방지하여 냉각 성능을 향상시키고 전지 모듈의 안정성을 높일 수 있다.
다시 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 버스바 프레임은 메임 프레임(130a)과, 메인 프레임(130a)의 하부에서 연장된 지지부(130b)를 포함한다. 버스바 프레임은 도 4의 전지셀 적층체(120)의 전후면에 연결된다. 메인 프레임(130a)에서는 전지셀(110)로부터 돌출된 전극 리드(미도시)가 슬롯을 통과하여 버스바(미도시)와 결합한 구조를 형성할 수 있다. 지지부(130b)는 메인 프레임(130a) 기준으로 대략 90도로 구부러져서 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 상에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)은 폭 방향으로 형성된 돌출부(110p)를 포함하고, 돌출부(110p)는 지지부(130b) 상에 위치한다. 여기서, 전지셀(110)의 폭 방향이란 z축 반대 방향일 수 있다. 본 실시예에 따른 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)는 열전도성 수지층(350)이 위치하는 제1 부분(210a1)과, 전지셀 적층체(120)의 길이 방향(y축 방향)으로 제1 부분(210a1)보다 더 바깥에 위치하는 제2 부분(210a2)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 제2 부분(210a2)은 전지셀(110)의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하고, 제1 부분(210a1)은 제2 부분(210a2) 안쪽에 위치한다. 이때, 제2 부분(210a2)의 두께는 제1 부분(210a1)의 두께보다 얇을 수 있다.
본 실시예에서 버스바 프레임(130)의 지지부(130b)는 하부 프레임(210)의 바닥부(210a) 중에서 제2 부분(210a2) 상에 위치한다. 이때, 지지부(130b)의 두께와 제2 부분(210a2)의 두께를 합한 두께는 제1 부분(210a1)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 제2 부분(210a2)과 제1 부분(210a1)의 단차에 걸려 외부 충격에 유동하는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라, 이러한 하부 프레임(210)의 바닥부(210a)의 가공을 통해 전지셀(110)과 프레임 사이의 갭을 줄일 수 있고, 이러한 갭 줄임 효과는 높이 방향 조립을 통해 얻을 수 있는 갭 줄임 효과와 상승 작용을 일으켜서 전체적인 공간 효율성을 최대화할 수 있다. 하부 프레임의 바닥부(210a)의 가공은 하부 프레임 구조를 형성하면서 바닥부(210a)의 단차도 동시에 형성할 수 있다. 이러한 단차 형성을 위해 프레스 성형 또는 NC(numerical control work) 가공 등을 사용할 수 있다.
바닥부(210a)의 제1 부분(210a1)과 전지셀(110) 사이에 패드부(360)가 위치하고, 패드부(360) 안쪽에 열전도성 수지층(350)이 위치한다. 즉, 패드부(360)는 열전도성 수지층(350)과 바닥부(210a)의 제2 부분(210a2) 사이에 위치하여 열전도성 수지층(350)이 형성되는 위치를 정의할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은 하나 또는 그 이상이 팩 케이스 내에 패키징되어 전지 팩을 형성할 수 있다. 전지팩은, 하나 이상의 전지 모듈이 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 형성될 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
200: 모듈 프레임
211: 모듈 프레임 돌출부
300: 히트 싱크
300A: 회피부
300P: 히트 싱크 돌출부
350: 열전도성 수지층

Claims (13)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체,
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임,
    상기 모듈 프레임의 바닥부와 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 열전도성 수지층, 및
    상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하며,
    상기 히트 싱크의 일단부에는 상기 모듈 프레임의 바닥부 일단부를 노출시키는 회피부가 형성되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 전지셀의 적층 방향에 수직한 방향을 기준으로, 상기 회피부의 경계와 일치하는 상기 히트 싱크 일단부는 상기 열전도성 수지층의 단부와 동일선상 또는 상기 열전도성 수지층의 내측에 배치되는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 히트 싱크의 함몰부와 상기 바닥부가 냉매 유로를 형성하고, 상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 냉매 유로에서 유동하는 냉매와 접촉하는 전지 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 회피부에서 상기 히트 싱크의 일단부와 상기 모듈 프레임 바닥부의 일단부는 용접 결합되고, 상기 용접 결합에 의해 상기 전지셀들의 적층 방향으로 용접 라인을 형성하는 전지 모듈.
  5. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 일부가 돌출되어 형성된 모듈 프레임 돌출부를 포함하는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 히트 싱크는, 상기 히트 싱크의 일 변으로부터 상기 모듈 프레임 돌출부가 위치한 부분으로 돌출된 히트 싱크 돌출부를 포함하는 전지 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 전지셀 적층체의 전후면을 커버하는 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 모듈 프레임 돌출부는, 상기 엔드 플레이트를 지나도록 연장 형성되는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 모듈 프레임 돌출부는 상기 모듈 프레임 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함하며,
    상기 회피부는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부와 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 사이에 형성되는 전지 모듈.
  9. 제8항에서,
    상기 모듈 프레임의 바닥부 일단부를 노출시키는 회피부는, 상기 엔드 플레이트와 상기 히트 싱크의 일단부 사이에 형성되는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 하부 프레임과, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며,
    상기 하부 프레임은 바닥부 및 서로 마주보는 2개의 측면부를 포함하고,
    상기 바닥부는 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분에는 상기 열전도성 수지층이 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 전지셀의 길이 방향을 기준으로 가장자리에 위치하며, 상기 제2 부분의 두께는 상기 제1 부분의 두께보다 얇은 전지 모듈.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 부분과 상기 전지셀 적층체 사이에 위치하는 패드부를 더 포함하고, 상기 패드부는 상기 열전도성 수지층과 상기 제2 부분 사이에 위치하는 전지 모듈.
  12. 제1항에서,
    상기 히트 싱크 내부에는 상기 모듈 프레임의 바닥부를 향해 돌출된 돌출 패턴이 형성되어 있는 전지 모듈.
  13. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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