KR20220144715A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 전지셀들 사이에 개재되는 제1 방열 부재; 및 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 최외각 전지셀 사이에 개재되는 제2 방열 부재를 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 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 있는 바, 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 전지셀을 구비한 전지 모듈이나 전지 팩은 좁은 공간에서 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지 팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 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 놓여 질 수 있다.
따라서, 전지 모듈이나 전지 팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다.
도 1은 종래의 전지 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 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.
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. 또한, 종래의 전지 모듈(10)의 경우, 전지셀(11)로부터 발생한 열은 열전도성 수지층(40) 및 모듈 프레임(30)의 바닥부(31)로 이어지는 일 방향 경로에 의해서만 전달되어, 열 전달에 한계가 있으므로, 전지셀(11)로부터 발생한 열을 외부로 전달할 수 있는 추가적인 열전달 경로의 필요성이 있다.
따라서, 전지 모듈에 대해서는 용량 증대와 같은 다른 요구가 계속되고 있으므로, 전지셀의 냉각 성능은 높이면서도 이러한 다양한 요구사항을 함께 만족할 수 있는 전지 모듈을 개발하는 것이 실질적으로 필요하다고 할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체; 및 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고, 상기 전지셀들 사이에 개재되는 제1 방열 부재; 및 상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 최외각 전지셀 사이에 개재되는 제2 방열 부재를 포함한다.
상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 프레임 부재와, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며, 상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 프레임 부재와 접촉할 수 있다.
상기 프레임 부재는 상기 전지셀 적층체의 측면을 커버하는 측면부 및 상기 전지셀 적층체의 하면을 커버하는 바닥부를 포함하고, 상기 제1 방열 부재는 상기 바닥부와 접촉하며, 상기 제2 방열 부재는 상기 바닥부 및 측면부와 접촉할 수 있다.
상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 상부 플레이트와 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체의 하면과 상기 프레임 부재의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하고, 상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 열전도성 수지층과 접촉할 수 있다.
상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 프레임 부재의 측면부와 평행하게 형성되는 빈 공간을 갖는 관 형상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제1 방열 부재 및 제2 방열 부재는 내부가 빈 육면체 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 제1 방열 부재 및 제2 방열 부재는 상부 및 하부가 개방되고, 측면부의 일부가 개방된 육면체 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 방열 부재는 상기 전지셀들 사이에 개재되도록 복수개 형성될 수 있다.
상기 제2 방열 부재는 상기 프레임 부재의 일 측면부와 맞닿도록 형성될 수 있다.
상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 전지셀보다 긴 세로 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩은 상기 전지 모듈, 상기 전지 모듈의 바닥부 아래 위치하는 열전달 부재, 및 상기 열전달 부재 아래 위치하는 히트 싱크를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 전지셀 사이에 개재되는 방열 부재를 포함하고, 상기 방열 부재는 다수의 열전달 경로를 형성함으로써 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
더불어, 상기 방열 부재는 에어 갭(air gap)을 포함함으로써 전지셀로부터 발생한 열을 효과적으로 전달함과 동시에, 전지셀 간의 열전이는 방지하는 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 부재를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 방열 부재를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 방열 부재를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩의 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 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.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층되어 형성된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수용하는 모듈 프레임(200) 및 전지셀(110) 사이 및/또는 모듈 프레임(200)과 전지셀 적층체(120)의 최외각 전지셀(110) 사이에 개재되는 방열 부재(500)를 포함한다. 보다 구체적으로, 전지셀들 사이에는 제1 방열 부재(500a)가 개재될 수 있으며, 모듈 프레임(200)과 전지셀 적층체(120)의 최외각 전지셀(110) 사이에는 제2 방열 부재(500b)가 개재된다. 이하에서는, 제1 방열 부재(500a)와 제2 방열 부재(500b)간의 차이점을 제외하고는, 설명의 편의를 위하여 방열 부재(500)로 통칭하여 설명하도록 한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하며, 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 즉, 전지셀(110)은 서로 대향하는 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들을 포함한다. 보다 상세하게는 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 상기 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다.
한편, 전지셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또한, 연결부(115)는 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극 리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극 리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지셀(110)은, 전극 리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함할 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 y축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 이에 따라 전극 리드(111, 112)들은 x축 방향과 -x축 방향으로 각각 돌출될 수 있다.
한편, 전지셀(110)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면 열이 발생하는데, 그 중에서도 전극 리드(111, 112)와 인접한 부분에서 열이 많이 발생한다. 즉, 셀 본체(113)의 중앙 부분 보다는, 테라스부(116)에 가까워질수록 충, 방전에 따라 많은 열이 발생한다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 전지셀 적층체(120)의 하부 및 양측면을 덮는 프레임 부재(300)와, 전지셀 적층체(120)의 상부를 덮는 상부 플레이트(400)를 포함할 수 있다.
프레임 부재(300)는 바닥부(300a) 및 바닥부(300a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(300b)를 포함할 수 있다. 바닥부(300a)는 전지셀 적층체(120)의 하면을 커버할 수 있고, 측면부(300b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 커버할 수 있다. 여기서, 전지셀 적층체(120)의 하면은 -z축 방향의 면을 지칭하고, 전지셀 적층체(120)의 양 측면은 y축 및 -y축 방향의 면을 지칭한다. 다만 이는 설명의 편의를 위해 지칭한 면들이며, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
상부 플레이트(400)는 프레임 부재(300)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향의 면)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 플레이트(400)와 프레임 부재(300)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접에 의해 접합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(400)와 프레임 부재(300)를 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 플레이트(400)와 프레임 부재(300)는 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, 상부 플레이트(400)와 프레임 부재(300)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀 적층체(120)의 전면과 후면을 각각 커버하는 엔드 플레이트(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 전지셀 적층체(120)의 전면은 x축 방향의 면을 지칭하고, 전지셀 적층체(120)의 후면은 -x축 방향의 면을 지칭한다.
엔드 플레이트(150)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양측에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있으며, 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(150) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임(130) 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등이 위치할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀 적층체(120)의 하면과 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(310)을 더 포함하고, 열전도성 수지층(310)은 전지셀(110)에서 발생하는 열을, 전지 모듈(100) 바닥으로 전달하고 전지셀 적층체(120)를 고정하는 역할을 할 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참고하여, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 방열 부재에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 포함되는 방열 부재를 나타낸 사시도이다.
도 6을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 전지셀(110)들 사이에 개재되는 제1 방열 부재(500a) 및 모듈 프레임(200)과 전지셀 적층체(120)의 최외각 전지셀(110) 사이에 개재되는 제2 방열 부재(500b)를 포함할 수 있다. 특히, 제2 방열 부재(500b)는 프레임 부재(300)의 측면부(300b)와 전지셀 적층체(120)의 최외각 전지셀(110) 사이에 개재되도록 형성되는 것일 수 있다.
이때, 상기에서 설명한 바와 같이, 모듈 프레임(200)은 프레임 부재(300)와 상부 플레이트(400)를 포함하고, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 상부 플레이트(400)와 접촉할 수 있다. 또한, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 프레임 부재(300)와 접촉할 수 있으며, 보다 구체적으로, 제1 방열 부재(500a)는 프레임 부재(300)의 바닥부(300a)와 접촉할 수 있고, 제2 방열 부재(500b)는 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 및 측면부(300b)와 접촉할 수 있다.
이때, 제1 방열 부재(500a)는 전지셀(110)들 사이에 개재되도록 복수개 형성될 수 있으며, 제2 방열 부재(500b)는 모듈 프레임(200)과 전지셀 적층체(120)의 최외각 전지셀(110) 사이에 개재되도록, 본 발명의 전지 모듈(100) 내부에 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 더욱이, 최외각 전지셀(110)의 경우 전지셀 적층체(120)의 양 측면에 각각 하나씩 형성되므로, 제2 방열 부재(500) 또한 상기 최외각 전지셀(110)의 수와 대응되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서, 전지셀 적층체(120)의 하면과 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 사이에는 열전도성 수지층(310)이 위치하며, 따라서, 제1 방열 부재(500a)와 제2 방열 부재(500b)는 열전도성 수지층(310)과 접촉할 수 있다.
특히, 제2 방열 부재(500b)는 프레임 부재(300)의 일 측면부(300b)와 맞닿도록 형성될 수 있다. 제2 방열 부재(500b)는 측면부(300b)와 맞닿는 영역이 형성됨으로써, 상기 영역을 통해 추가적인 열전달 경로를 형성한다. 따라서, 본 실시예에 따른 전지 모듈의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 상부 플레이트(400) 및 프레임 부재(300)와 접할 수 있도록 형성되는 바, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 전지셀(110)의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 전지셀(110)보다 긴 세로 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 더불어, 전지셀(110) 보다 긴 가로 길이를 갖도록 형성될 수도 있다. 이때, 전지셀(110)의 가로 및 세로 길이는 도 4의 전지셀(110)의 x축 방향 길이 및 z축 방향 길이를 나타내는 것일 수 있다.
더불어, 상기에서 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 전지 모듈(100)에 포함되는 다양한 구성들과 접촉할 수 있음을 설명한 바, 또한, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 상기에서 접촉하는 것으로 설명된 다양한 구성들과 접하는 것일 수 있으며, 상기 다양한 구성들과 인접하는 것 또한 포함할 수 있다.
종래 전지 모듈의 냉각 경로를 살펴 보면, 전지셀로부터 발생한 열은 전지셀 적층체의 하면, 열전도성 수지층 및 모듈 프레임의 바닥부를 통해 전달되어 전지 모듈 외부로 전달됨으로써, 단일 경로로만 냉각되므로, 효율적인 냉각 성능을 발휘하는데 어려움이 있었다.
이에, 본 발명에서는 상기와 같이 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)를 형성하고, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)가 상부 플레이트(400), 바닥부(300a), 측면부(300b) 및 열전도성 수지층(310)과 접촉하도록 형성함으로써, 종래 전지 모듈의 냉각 경로와 대비하여, 다양한 냉각 경로를 설계하였다. 더불어, 종래 냉각 경로에 비해, 각 경로를 단순화함으로써, 다수의 냉각 경로를 통한 신속한 냉각 실현이 가능하다. 특히, 제1 방열 부재(500a) 및 제2 방열 부재(500b)는 상부 플레이트(400)와 직접적으로 접촉하여, 전지셀(110)로부터 전달된 열을 전지 모듈(100) 외부로 신속하게 방출할 수 있다.
본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 방열 성능을 만족하고, 모듈 프레임(200), 전지셀(110) 및 열전도성 수지층(310) 조립에 문제가 없는 범위에서 다양하게 선택될 수 있다. 따라서, 방열 부재(500)는 방열 패드(pad), 방열 핀(pin), 방열 시트(sheet), 방열 레진(resin) 및 방열 접착제 등에서 선택될 수 있다.
이때, 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 구체적으로, 프레임 부재(300)의 측면부(300b)와 평행하게 형성되는 빈 공간을 갖는 관 형상일 수 있다. 특히, 상기 빈 공간은 에어 갭(air gap)으로 통칭되는 공간일 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 육면체 구조를 갖고, 상기 육면체 구조 상에 프레임 부재(300)의 측면부(300b)와 평행하도록 빈 공간을 형성한 구조일 수 있다. 이때, 방열 부재(500)의 육면체 구조는 직육면체 구조일 수 있고, 상기 직육면체 구조 상의 적어도 일면 이상이 개방되는 구조일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 에어 갭(air gap) 구조는 그 형상이 제한되지 않으나, 방열 부재(500)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 방열 부재(500) 내부에 형성되는 바, 방열 부재(500)의 크기 및 부피보다 작게 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 상기 에어 갭(air gap) 구조를 통해, 개별 전지셀(110)에서 발생하는 열을 방출함과 동시에, 전지셀(110) 간의 열전이는 방지할 수 있다. 특히, 열폭주(thermal runaway) 현상 발생 시, 전지셀(110)간의 이격을 확보함으로써, 상기 열폭주 현상을 지연시켜 모듈의 안정성 확보가 가능하다.
이하에서는 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 방열 부재에 대해 설명한다. 본 실시예의 방열 부재는 상기에서 설명한 방열 부재의 변형예이므로, 상기에서 설명한 방열 부재와 상이한 부분만을 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 방열 부재를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 내부가 빈 육면체 구조로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 육면체 구조는 직육면체 구조일 수 있으며, 상기 육면체 구조에서 내부는 빈 구조로서, 내부 빈 공간에 기체가 존재하는 형태일 수 있다.
본 실시예에 따른 방열 부재(500)는, 상기 구조를 가짐으로써, 개별 전지셀(110)에서 발생하는 열을 모듈 프레임(200) 및 열전도성 수지층(310)로 전달하여 신속하게 전지 모듈(100) 외부로 방출할 수 있다. 또한, 내부 빈 공간에 형성되는 상기 기체는 전지셀(110) 간의 열전이는 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 방열 부재에 대해 설명한다. 본 실시예의 방열 부재 또한 상기에서 설명한 방열 부재의 변형예이므로, 상이한 부분만을 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 방열 부재를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 상부 및 하부가 개방된 육면체 구조로 형성될 수 있으며, 측면부의 일부가 개방될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 육면체 구조는 직육면체 구조일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)는 측면부의 일부가 개방될 수 있으며, 구체적으로, 상기 개방되는 측면부는 전지셀(110)의 적층 방향과 평행하게 형성되는 양 측면부일 수 있다. 다시 말해, 도 4의 전지셀 적층체(120)의 상면 및 하면 방향에 형성되는 측면부일 수 있다. 이때, 전지셀(110)의 적층 방향과 평행하게 형성되는 양 측면부의 일부 또는 전부가 개방됨과 함께, 상기 개방된 측면부를 잇는 빈 공간이 형성될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 방열 부재(500)에도 에어 갭(air gap)이 형성될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 에어 갭(air gap)은 개별 전지셀(110)에서 발생하는 열을 방출함과 동시에, 전지셀(110) 간의 열전이는 방지할 수 있다. 특히, 열폭주(thermal runaway) 현상 발생 시, 전지셀(110)간의 이격을 확보함으로써, 상기 열폭주 현상을 지연시켜 모듈의 안정성 확보가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈은, 방열 부재를 포함하여 냉각 성능의 향상이 가능하며, 특히, 제1 방열 부재 및 제2 방열 부재의 형상은 본 발명의 다수의 실시예에 개시된 방열 부재의 형상에서 선택될 수 있다. 더불어, 제1 방열 부재 및 제2 방열 부재는 각각 동일한 형상으로 형성되거나, 각기 다른 형상으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 각 실시예에 따른 전지 모듈은 방열 부재가 형성되고, 상기 방열 부재가 모듈 프레임, 특히, 상부 플레이트 및 프레임 부재와 접촉함으로써, 종래 전지 모듈에 비해 다수의 냉각 경로를 형성한다. 더불어, 종래 냉각 경로에 비해 단순화된 냉각 경로를 통해 신속한 냉각 및 열 전달 효과를 달성한다.
이하에서는, 도 10을 참조하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전지 팩에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 단면도이다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩(1000)은 앞에서 설명한 전지 모듈, 프레임 부재(300)의 바닥부(300a) 아래 위치하는 열전달 부재(600), 및 열전달 부재(600) 아래 위치하는 히트 싱크(700)를 포함한다. 따라서, 전지 모듈(100)의 바닥부(300a)로 전달된 열은 열전달 부재(600) 및 히트 싱크(700)를 통해, 전지 팩 외부로의 열전달이 가능할 수 있다.
더불어, 본 발명의 전지 팩은 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
상기 전지 팩은 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 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
상기 전지 팩은 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 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
200: 모듈 프레임
300: 프레임 부재
400: 상부 플레이트
500: 방열 부재
500a: 제1 방열 부재
500b: 제2 방열 부재
600: 열전달 부재
700: 히트 싱크

Claims (12)

  1. 복수의 전지셀이 적층되어 형성된 전지셀 적층체; 및
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 전지셀들 사이에 개재되는 제1 방열 부재; 및
    상기 모듈 프레임과 상기 전지셀 적층체의 최외각 전지셀 사이에 개재되는 제2 방열 부재를 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 전지셀 적층체의 하부 및 양측면을 덮는 프레임 부재와, 상기 전지셀 적층체의 상부를 덮는 상부 플레이트를 포함하며,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 프레임 부재와 접촉하는 전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프레임 부재는 상기 전지셀 적층체의 측면을 커버하는 측면부 및 상기 전지셀 적층체의 하면을 커버하는 바닥부를 포함하고,
    상기 제1 방열 부재는 상기 바닥부와 접촉하며,
    상기 제2 방열 부재는 상기 바닥부 및 측면부와 접촉하는 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 상부 플레이트와 접촉하는 전지 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전지셀 적층체의 하면과 상기 프레임 부재의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지층을 더 포함하고,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 열전도성 수지층과 접촉하는 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 프레임 부재의 측면부와 평행하게 형성되는 빈 공간을 갖는 관 형상인 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 내부가 빈 육면체 구조로 형성되는 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상부 및 하부가 개방되고, 측면부의 일부가 개방된 육면체 구조로 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열 부재는 상기 전지셀들 사이에 개재되도록 복수개 형성되는 전지 모듈.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제2 방열 부재는 상기 프레임 부재의 일 측면부와 맞닿도록 형성되는 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방열 부재 및 상기 제2 방열 부재는 상기 전지셀보다 긴 세로 길이를 갖도록 형성되는 전지 모듈.
  12. 제1항에 따른 전지 모듈,
    상기 전지 모듈의 바닥부 아래 위치하는 열전달 부재, 및
    상기 열전달 부재 아래 위치하는 히트 싱크를 포함하는 전지 팩.

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