WO2021246636A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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WO2021246636A1
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heat
battery
conducting layer
battery cell
module
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English (en)
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박수빈
성준엽
박준규
박명기
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more particularly, to a battery module with improved cooling performance and a battery pack including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a measure to solve air pollution such as conventional gasoline vehicles using fossil fuels, and electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is being used as a power source, and the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are possible freely. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are respectively applied with a separator interposed therebetween, and a battery case for sealingly accommodating the electrode assembly together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected this is used In such a battery module, a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a secondary battery when the temperature is higher than an appropriate temperature, the performance of the secondary battery may be deteriorated, and in severe cases, there is a risk of explosion or ignition.
  • a battery module or battery pack having a plurality of secondary batteries that is, a battery cell
  • heat emitted from the plurality of battery cells is added up in a narrow space, so that the temperature may rise more rapidly and severely.
  • high output can be obtained, but it is not easy to remove heat generated from the battery cells during charging and discharging. If the heat dissipation of the battery cell is not performed properly, the deterioration of the battery cell is accelerated and the lifespan is shortened, and the possibility of explosion or ignition increases.
  • a battery module included in a battery pack for a vehicle it may be frequently exposed to direct sunlight, and may be subjected to high temperature conditions such as summer or desert areas.
  • the outermost battery cell is more affected by the external environment. As a result, a temperature difference between the battery cells may be deepened. Since the temperature non-uniformity between these battery cells can cause a decrease in the lifespan of the battery module itself,
  • An object of the present invention is to provide a battery module with improved cooling performance and minimized temperature deviation between battery cells, and a battery pack including the same.
  • a battery module includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a module frame for accommodating the battery cell stack; and a heat-conducting layer positioned on the battery cell stack, wherein the heat-conducting layer is a first heat-conducting layer and a second heat-conducting layer positioned at both ends in a direction in which the electrode leads of the battery cells protrude from the top surface of the battery cell stack, respectively include layers.
  • the first heat-conducting layer and the second heat-conducting layer may be connected in a stacking direction of the battery cells.
  • the heat-conducting layer may include a third heat-conducting layer positioned between the first heat-conducting layer and the second heat-conducting layer.
  • the third heat-conducting layer may be connected to each of the first heat-conducting layer and the second heat-conducting layer.
  • the third heat-conducting layer may run in a direction parallel to one surface of the cell body of the battery cell.
  • the third heat-conducting layer may be spaced apart from the battery cells located at the outermost side of the battery cell stack.
  • the battery module may further include a thermally conductive resin layer positioned between the battery cell stack and the bottom of the module frame.
  • the thermally conductive resin layer may include a first thermally conductive resin layer and a second thermally conductive resin layer that are formed to be spaced apart from each other, and the first thermally conductive resin layer and the second thermally conductive resin layer are in the bottom portion
  • the electrode leads of the battery cell may be respectively positioned at both ends in the protruding direction.
  • the battery module may further include a heat sink positioned below the bottom of the module frame, and the bottom may constitute an upper plate of the heat sink.
  • the heat sink and the bottom part may form a flow path of the refrigerant, and the bottom part may be in contact with the refrigerant.
  • cooling performance can be improved through the integrated structure of the module frame and the heat sink.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery cell included in the battery module of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a battery cell stack and a heat-conducting layer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a U-shaped frame and a heat sink included in the battery module of FIG. 2 .
  • FIG. 6 is a plan view of the battery module of FIG. 1 viewed from the xy plane in the z-axis direction.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B' of FIG.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "cross-sectional” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 1 .
  • 3 is a perspective view of a battery cell included in the battery module of FIG. 2 .
  • the battery module 100 accommodates a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and the battery cell stack 120 . It includes a module frame 200 and a heat-conducting layer 500 located on the battery cell stack.
  • the heat-conducting layer 500 is a first heat-conducting layer 510 and a second respectively located at both ends in a direction in which the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 protrude from the top surface of the battery cell stack 120 .
  • a heat-conducting layer 520 .
  • the battery cell 110 is preferably a pouch-type battery cell, and may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the two electrode leads 111 and 112 are opposite to each other and protrude from one end 114a and the other end 114b of the cell body 113, respectively. has a structure
  • the electrode leads 111 and 112 are connected to an electrode assembly (not shown), and protrude from the electrode assembly (not shown) to the outside of the battery cell 110 .
  • both ends 114a and 114b of the cell case 114 and one side 114c connecting them are adhered in a state in which an electrode assembly (not shown) is accommodated in the cell case 114 .
  • the battery cell 110 according to the present embodiment has a total of three sealing portions 114sa, 114sb, 114sc, and the sealing portions 114sa, 114sb, 114sc are sealed by a method such as thermal fusion.
  • the other one side may be formed of a connection part 115 .
  • the cell case 114 may be formed of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer.
  • connection part 115 may extend long along one edge of the battery cell 110 .
  • a terrace portion 116 may be formed between the electrode leads 111 and 112 and the cell body 113 . That is, the battery cell 110 may include a terrace portion 116 formed to extend from the cell case 114 in a direction in which the electrode leads 111 and 112 protrude.
  • both end portions E1 and E2 adjacent to the electrode leads 111 and 112 are the battery cells 110 . It is one of the regions where heat is severe in the middle, and shows a significantly higher temperature than the central portion M of the one side portion 114c.
  • the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 are the electrode leads 111 of the battery cell 110 among the upper surfaces of the battery cell stack 120 , 112) are respectively located at both ends in the protruding direction. That is, the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 are located at both end portions E1 and E2 adjacent to the electrode leads 111 and 112 of the one side portion 114c of the battery cell 110 , respectively. do.
  • the heat conductive layer 500 may be formed by applying a heat dissipation adhesive.
  • the heat dissipation adhesive may include a material having high thermal conductivity, and specifically, as a thermally conductive resin, polyurethane or silicone may be included.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in a direction parallel to the x-axis.
  • the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 may be connected in a stacking direction of the battery cell 110 . That is, with respect to the battery cells 110 stacked in a predetermined direction, the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 may be located at both end portions E1 and E2 of all the battery cells 110 . .
  • the battery cell stack 120 may be a large-area module in which the number of battery cells 110 is greater than that of the prior art. Specifically, 32 to 48 battery cells 110 per battery module 100 may be included. In the case of such a large-area module, the horizontal length of the battery module is increased.
  • the horizontal length may mean a length in the direction in which the battery cells 110 are stacked, that is, in a direction parallel to the x-axis.
  • the module frame 200 accommodating the battery cell stack 120 may include an upper cover 220 and a U-shaped frame 210 .
  • the heat-conducting layer 500 according to the present embodiment may be positioned between the battery cell stack 120 and the upper cover 220 .
  • the U-shaped frame 210 may include a bottom portion 210a and two side portions 210b extending upward from both ends of the bottom portion 210a.
  • the bottom portion 210a may cover the lower surface (in the direction opposite to the z-axis) of the battery cell stack 120
  • the side portion 210b is formed on both sides of the battery cell stack 120 (in the direction opposite to the x-axis direction). ) can be covered.
  • the upper cover 220 may be formed in a plate-shaped structure that covers the lower surface covered by the U-shaped frame 210 and the upper surface (z-axis direction) other than the both sides.
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may form a structure that covers the battery cell stack 120 up, down, left, and right by being coupled by welding or the like in a state in which corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the battery cell stack 120 may be physically protected through the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 .
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may include a metal material having a predetermined strength.
  • the module frame 200 according to the modified example may be a mono frame in the form of a metal plate in which an upper surface, a lower surface, and both sides are integrated. That is, not the structure in which the U-shaped frame 210 and the upper cover 220 are coupled to each other, but may be manufactured by extrusion molding to have a structure in which the upper surface, the lower surface, and both sides are integrated.
  • the end plate 400 may be positioned on the front (y-axis direction) and the rear surface (opposite to the y-axis direction) of the battery cell stack 120 to cover the battery cell stack 120 .
  • the end plate 400 may physically protect the battery cell stack 120 and other electrical components from external impact.
  • a bus bar frame on which a bus bar is mounted and an insulating cover for electrical insulation may be positioned between the battery cell stack 120 and the end plate 400 .
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a battery cell stack and a heat-conducting layer according to another embodiment of the present invention.
  • the heat-conducting layer 500 may include a third heat-conducting layer 530 positioned between the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 . More specifically, the third heat-conducting layer 530 may be connected to each of the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 , in a direction parallel to one surface of the cell body 113 of the battery cell 110 . can follow That is, the third heat-conducting layer 530 may extend along the y-axis direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells 110 . In addition, the third heat-conducting layer 530 may be spaced apart from the battery cells 110 located on the outermost side of the battery cell stack 120 , and more specifically, the center of the upper surface of the battery cell stack 120 . can be located in
  • the battery cell stack 120 may be a large-area module in which the number of battery cells 110 is greater than that of the prior art. As the number of battery cells 110 increases, the capacity or output of the battery module may increase, but a temperature deviation between the outermost battery cell 110 and the inner battery cell 110 may occur significantly. If a large temperature deviation between the battery cells 110 in the battery module 100 continues, it may cause a reduction in the lifespan of the battery module itself.
  • the third heat-conducting layer 530 it is possible to reduce a temperature deviation between the outermost battery cell 110 and the inner battery cell 110 .
  • the innermost battery cell 110 is difficult to dissipate heat, but according to the present embodiment, since the third heat-conducting layer 530 is formed, the innermost battery cell 110 has a third heat-conducting layer 530 . Heat may be dissipated to the outside of the battery module 100 through the and upper cover 220 .
  • a heat-conducting layer may be formed on the entire upper surface of the battery cell stack 120 .
  • the heat-conducting layer is formed on the whole of one side 114c of the battery cell 110, and the heat-conducting layer uniformly distributed for the battery cell 110 with a large difference in the degree of heat generation for each part is the battery cell 110. It is difficult to resolve the temperature difference between the parts of
  • the battery module 100 according to the present embodiment includes the first heat-conducting layer 510 and the second heat-conducting layer 520 , both end portions E1 and E2 where the heat of the battery cell 110 is severe. In the heat dissipation can be made effectively, it is possible to minimize the temperature deviation between each part for one battery cell (110).
  • the battery module 100 according to the present embodiment includes the third heat-conducting layer 530 , heat dissipation can be effectively made even for the innermost battery cell 110 , and the battery cell stack 120 . It is possible to minimize the temperature deviation between the battery cells 110 of the.
  • the first to The third heat-conducting layers 510 , 520 , and 530 may greatly contribute to the improvement of even performance and lifespan of the battery module.
  • thermally conductive resin layer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2, 3 and 5 .
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a U-shaped frame and a heat sink included in the battery module of FIG. 2 .
  • the battery module 100 is a thermally conductive resin positioned between the battery cell stack 120 and the bottom part 210a of the module frame 200 ( A thermal resin) layer 600 may be further included.
  • the thermally conductive resin layer 600 may include a first thermally conductive resin layer 610 and a second thermally conductive resin layer 620 that are formed to be spaced apart from each other, and the first thermally conductive resin layer 610 and the second The thermally conductive resin layer 620 may be respectively located at both ends of the bottom portion 210a in the direction in which the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 protrude.
  • the thermally conductive resin layer 600 is formed by applying a thermal conductive resin to the bottom part 210a before the battery cell stack 120 is accommodated in the module frame 200, and the applied thermal conductive resin is cured. can be formed.
  • the battery cell stack 120 moves along a direction (-z-axis direction) perpendicular to the bottom part 210a of the module frame 200 before curing after the thermal conductive resin is applied to the bottom of the module frame 200 . It may be mounted on the part 210a. Thereafter, the thermally conductive resin layer 600 formed by curing the thermally conductive resin may be positioned between the bottom portion 210a of the module frame 200 and the battery cell stack 120 .
  • the thermally conductive resin may include a thermally conductive adhesive material, and specifically, may include at least one of a silicone material, a urethane material, and an acrylic material.
  • the thermally conductive resin may serve to fix one or more battery cells 110 constituting the battery cell stack 120 by being in a liquid phase during application or by curing after application.
  • it is possible to prevent overheating of the battery module by quickly transferring the heat generated in the battery cell 110 to the lower side of the battery module because of its excellent thermal conductivity.
  • heat generated from the battery cell 110 may be discharged to the outside of the battery module 100 through the thermal conductive resin layer 600 , the bottom portion 210a , and the heat sink 300 to be described later.
  • the portion adjacent to the electrode leads 111 and 112 of the battery cell 110 generates a lot of heat.
  • the first thermally conductive resin layer 610 and the second thermally conductive resin layer 620 in a portion where heat is severe, cooling and heat dissipation performance can be increased along with reduction of raw materials.
  • an insulating film or the like may be disposed on the bottom portion 210a between the first thermally conductive resin layer 610 and the second thermally conductive resin layer 620 .
  • FIG. 6 is a plan view of the battery module of FIG. 1 viewed from the xy plane in the z-axis direction.
  • the battery module 100 may include a heat sink 300 positioned below the bottom part 210a of the module frame 200, and the bottom The part 210a may constitute an upper plate of the heat sink 300 .
  • the heat sink 300 and the bottom 210a of the module frame 200 may form a refrigerant passage.
  • the heat sink 300 forms the skeleton of the heat sink 300 and the lower plate 310 joined to the bottom part 210a of the module frame 200 by welding, etc. It may include a unit 340 .
  • the recessed portion 340 of the heat sink 300 corresponds to a portion in which the lower plate 310 is recessed downward.
  • the recessed part 340 may be a U-shaped tube with a cross-section cut in the xz plane perpendicular to the direction in which the coolant flow path extends, and the bottom portion 210a may be located on the open upper side of the U-shaped tube.
  • the space between the recessed portion 340 and the bottom portion 210a becomes a region through which the coolant flows, that is, a flow path of the coolant. Accordingly, the bottom portion 210a of the module frame 200 may be in contact with the refrigerant.
  • the recessed part 340 of the heat sink 300 there is no particular limitation on the manufacturing method of the recessed part 340 of the heat sink 300, but by providing a structure recessed with respect to the plate-shaped heat sink 300, the U-shaped recessed part 340 with an open upper side may be formed.
  • the battery module 100 implements a cooling integrated structure of the module frame 200 and the heat sink 300 to further improve cooling performance. Since the bottom portion 210a of the module frame 200 serves to correspond to the top plate of the heat sink 300 , a cooling integrated structure may be implemented. The cooling efficiency increases due to direct cooling, and the battery module 100 and the battery module 100 are mounted thereon through a structure in which the heat sink 300 is integrated with the bottom part 210a of the module frame 200 ( 1000), the space utilization rate can be further improved.
  • the heat generated in the battery cell 110 may be transferred to the outside of the battery module 100 through the thermal conductive resin layer 600 , the bottom portion 210a of the module frame 200 , and the refrigerant.
  • the heat transfer path is simplified and the air gap between each layer can be reduced, so that the cooling efficiency or performance can be increased.
  • the bottom portion 210a is constituted by the upper plate of the heat sink 300 , the bottom portion 210a directly contacts the coolant, so that more direct cooling is possible through the coolant.
  • the height of the battery module 100 is reduced through the removal of the unnecessary cooling structure, so that it is possible to reduce the cost and increase the space utilization. Furthermore, since the battery module 100 can be arranged compactly, the capacity or output of the battery pack 1000 including a plurality of the battery modules 100 can be increased.
  • the bottom portion 210a of the module frame 200 may be joined to a portion of the lower plate 310 in which the recessed portion 340 is not formed in the heat sink 300 by welding.
  • the above-described cooling performance is improved as well as the battery cell stack 120 accommodated in the module frame 200 . It may have the effect of supporting the load of the battery module 100 and reinforcing the rigidity of the battery module 100 .
  • the lower plate 310 and the bottom portion 210a of the module frame 200 are sealed through welding, etc., so that the refrigerant can flow without leakage in the depression 340 formed inside the lower plate 310 . have.
  • the recessed part 340 is formed over the entire area corresponding to the bottom part 210a of the module frame 200 .
  • the recessed portion 340 may be bent at least once to lead from one side to the other.
  • the depression 340 is preferably bent several times. As the refrigerant moves from the start point to the end point of the refrigerant flow path formed over the entire area corresponding to the bottom portion 210a of the module frame 200, efficient cooling of the entire area of the battery cell stack 120 can be achieved. .
  • the refrigerant is a medium for cooling, and there is no particular limitation, but may be cooling water.
  • the heat sink 300 may include an inlet 320 for introducing a refrigerant and an outlet 330 for discharging the refrigerant.
  • the inlet 320 may be provided at the lower end of one side of the recessed part 340 , and at the lower end of the other side of the recessed part 340 .
  • An outlet 330 may be provided.
  • the refrigerant is first introduced between the bottom portion 210a and the depression 340 through the inlet 320 from the pack refrigerant supply pipe to be described later, and the introduced refrigerant moves along the depression 340 and then through the outlet 330 It can be discharged to the pack refrigerant discharge pipe.
  • efficient cooling of the entire area of the battery cell stack 120 may be achieved.
  • a partition wall 350 may be formed in the recessed portion 340 of the heat sink 300 according to the present embodiment.
  • the barrier rib 350 has a structure in which the depression 340 protrudes in a direction opposite to the depression direction, and may continue along the depression 340 .
  • the coolant flow path may be formed to be wider, so that the temperature deviation may be more severe.
  • the partition wall 350 according to the present embodiment can reduce the width of the cooling passage to minimize the pressure drop and at the same time reduce the temperature deviation between the widths of the refrigerant passage. Therefore, it is possible to implement a uniform cooling effect.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B' of FIG. However, for convenience of explanation, FIG. 7 additionally illustrates the pack refrigerant supply pipe and the pack frame located under the battery module.
  • the module frame 200 is formed such that a part of the bottom part 210a of the module frame 200 protrudes and passes through the end plate 400 . It includes a first module frame protrusion 211a and a second module frame protrusion 211b, and the first module frame protrusion 211a and the second module frame protrusion 211b are positioned to be spaced apart from each other.
  • the first module frame protrusion 211a and the second module frame protrusion 211b may be respectively located at both ends of one corner of the bottom portion 210a.
  • the heat sink 300 includes a first heat sink protrusion 311a and a first heat sink protrusion 311a protruding from one side of the heat sink 300 to portions where the first module frame protrusion 211a and the second module frame protrusion 211b are located, respectively.
  • Two heat sink protrusions 311b may be included.
  • a module frame mounting hole 211H may be formed in the first module frame protrusion 211a and the second module frame protrusion 211b, and heat is applied to the first heat sink protrusion 311a and the second heat sink protrusion 311b.
  • a sink mounting hole 311H may be formed.
  • the number of module frame mounting holes 211H and heat sink mounting holes 311H is not particularly limited, but the number of module frame mounting holes 211H and the number of heat sink mounting holes 311H are preferably the same. It is more preferable that the frame mounting hole 211H and the heat sink mounting hole 311H are positioned to correspond to each other.
  • the battery module 100 may be mounted on the pack frame 1100 to form a battery pack.
  • the pack refrigerant supply pipe 1200 may be positioned between the battery module 100 and the pack frame 1100 .
  • the pack refrigerant supply pipe 1200 is configured to supply a refrigerant to the battery module, and an opening 1210 for supplying the refrigerant may be formed.
  • the inlet 320 of the heat sink 300 described above may be positioned to correspond to the refrigerant supply opening 1210 and may be connected to each other. Accordingly, the refrigerant moving along the pack refrigerant supply pipe 1200 may be introduced between the heat sink 300 and the bottom portion 210a through the refrigerant supply opening 1210 and the inlet 320 .
  • a pack refrigerant discharge pipe (not shown) having an opening (not shown) for discharging refrigerant formed between the battery module 100 and the pack frame 1100 may be located.
  • the discharge port 330 of the heat sink 300 described above may be positioned to correspond to the refrigerant discharge opening and may be connected to each other.
  • the refrigerant moving along the depression 340 may be discharged to the pack refrigerant discharge pipe through the discharge port 330 and the refrigerant discharge opening.
  • the pack frame 1100 may have a module frame mounting hole 211H and a fastening hole 1110 corresponding to the heat sink mounting hole 311H, and the mounting bolt 1120 may be connected to the module frame mounting hole 211H. and the heat sink mounting hole 311H and may be coupled to the fastening hole 1110 .
  • the pack refrigerant supply pipe 1200 may be designed to pass by avoiding the mounting bolt 1120 on the pack frame 1100 .
  • the module frame 200 and the heat sink 300 may be fixed to the pack frame 1100 through the mounting bolt 1120 .
  • the sealing property is improved because the bottom portion 210a, the heat sink 300, and the pack refrigerant supply pipe 1200 are strongly in close contact with each other, thereby reducing the possibility of refrigerant leakage therebetween.
  • the inlet 320 and the outlet 330 may be located adjacent to the first heat sink protrusion 311a and the second heat sink protrusion 311b, respectively, the refrigerant from the inlet 320 and the outlet 330 can effectively block the leakage of
  • the inlet 320 and the outlet 330 may include a sealing member 321 surrounding the outer periphery thereof.
  • the sealing member 321 may be located below the heat sink 300 , and more specifically, may be located between the heat sink 300 and the pack refrigerant supply pipe 1200 .
  • leakage of the refrigerant may be prevented.
  • a gasket-shaped member or a valve port member as shown may be applied.
  • One or more battery modules according to the present embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a cooling system to form a battery pack.
  • the battery module or battery pack may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrids, etc., but is not limited thereto, and may be applied to various devices capable of using a secondary battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체 상에 위치한 열전도 층를 포함하고, 열전도 층은, 상기 전지셀 적층체의 상면 중 상기 전지셀의 전극 리드가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치한 제1 열전도 층 및 제2 열전도 층을 포함한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 6월 4일자 한국 특허 출원 제10-2020-0067764호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
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 전지팩을 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 전지팩은 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 전지팩의 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 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다.
한편, 다수개의 전지셀들이 콤팩트하게 적층되어 전지 모듈을 구성하기 때문에 가장 바깥쪽에 위치한 전지셀이 외부 환경에 영향을 더 많이 받는다. 이로 인해 전지셀들 간에 온도 편차가 심화될 수 있다. 이러한 전지셀들 간의 온도 불균일은 전지 모듈 자체의 수명을 낮추는 원인이 될 수 있기에,
따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 효과적인 냉각 성능을 확보하고 전지셀들 간의 온도 편차를 줄이는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능이 향상되고, 전지셀들 간의 온도 편차가 최소화된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 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 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및 상기 전지셀 적층체 상에 위치한 열전도 층를 포함하고, 열전도 층은, 상기 전지셀 적층체의 상면 중 상기 전지셀의 전극 리드가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치한 제1 열전도 층 및 제2 열전도 층을 포함한다.
상기 제1 열전도 층과 상기 제2 열전도 층은, 상기 전지셀들의 적층 방향을 따라 이어질 수 있다.
상기 열전도 층은, 상기 제1 열전도 층과 상기 제2 열전도 층 사이에 위치한 제3 열전도 층을 포함할 수 있다.
상기 제3 열전도 층은 상기 제1 열전도 층 및 상기 제2 열전도 층 각각과 연결될 수 있다.
상기 제3 열전도 층은, 상기 전지셀의 셀 본체의 일면과 평행한 방향을 따라 이어질 수 있다.
상기 제3 열전도 층은, 상기 전지셀 적층체의 가장 바깥쪽에 위치한 전지셀들로부터 이격되어 위치할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 더 포함할 수 있다.
상기 열전도성 수지층은, 서로 이격 형성되는 제1 열전도성 수지층 및 제2 열전도성 수지층을 포함할 수 있고, 상기 제1 열전도성 수지층과 상기 제2 열전도성 수지층은 상기 바닥부 중 상기 전지셀의 전극 리드가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 더 포함할 수 있고, 상기 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성할 수 있다.
상기 히트 싱크와 상기 바닥부가 냉매의 유로를 형성할 수 있고, 상기 바닥부는 상기 냉매와 접촉할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀의 발열이 심한 부분에 열전도 층을 형성하여, 냉각 성능의 향상과 함께 전지셀들 간의 온도 편차가 최소화할 수 있다.
또한, 모듈 프레임과 히트 싱크의 일체화된 구조를 통해 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조를 제거하여 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있어 전지 모듈의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀 적층체 및 열전도 층을 나타낸 사시도이다.
도 5은 도 2의 전지 모듈에 포함된 U자형 프레임과 히트 싱크를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 1의 전지 모듈을 xy 평면에서 z축 방향으로 바라본 평면도이다.
도 7은 도 6의 절단선 B-B’를 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200) 및 전지셀 적층체 상에 위치한 열전도 층(500)를 포함한다. 열전도 층(500)은, 전지셀 적층체(120)의 상면 중 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치한 제1 열전도 층(510) 및 제2 열전도 층(520)을 포함한다.
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. 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 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.
전지셀(110)에 대한 충, 방전이 반복적으로 이루어지면, 전극 리드(111, 112) 부분에 많은 열이 발생한다. 특히, 전지셀 적층체(120)의 상면과 대응하는 전지셀(110)의 일측부(114c) 중에서, 전극 리드(111, 112)와 인접한 양 단 부분(E1, E2)은 전지셀(110) 중에 발열이 심한 영역 중 하나이며, 일측부(114c)의 중앙 부분(M)에 비해 월등히 높은 온도를 보인다.
이 때, 앞서 설명한 바 대로, 본 실시예에 따른 제1 열전도 층(510) 및 제2 열전도 층(520)은 전지셀 적층체(120)의 상면 중 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치한다. 즉, 제1 열전도 층(510) 및 제2 열전도 층(520)은 전지셀(110)의 일측부(114c) 중 전극 리드(111, 112)와 인접한 양 단 부분(E1, E2)에 각각 위치한다. 전지셀(110) 중 발열이 심한 부분에 열전도 층(500)을 형성함으로써, 방열 및 냉각 성능을 높일 수 있다. 한편, 열전도 층(500)은 방열 접착제를 도포하여 형성될 수 있다. 상기 방열 접착제는 열전도도가 높은 소재를 포함할 수 있으며, 구체적으로 열전도성 수지로써, 폴리 우레탄이나 실리콘 등을 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 2에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
제1 열전도 층(510)과 제2 열전도 층(520)은, 전지셀(110)의 적층 방향을 따라 이어질 수 있다. 즉, 일정한 방향으로 적층되는 전지셀(110)에 대하여 제1 열전도 층(510)과 제2 열전도 층(520)이 모든 전지셀(110)들의 양 단 부분(E1, E2)에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)는 전지셀(110)의 개수가 종래 보다 많아지는 대면적 모듈일 수 있다. 구체적으로, 전지 모듈(100) 당 32개 내지 48개의 전지셀(110)이 포함될 수 있다. 이러한 대면적 모듈의 경우, 전지 모듈의 수평 방향 길이가 길어지게 된다. 여기서, 수평 방향 길이란, 전지셀(110)이 적층된 방향, 즉 x축과 평행한 방향으로의 길이를 의미할 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 커버(220) 및 U자형 프레임(210)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 열전도 층(500)은 전지셀 적층체(120)와 상부 커버(220) 사이에 위치할 수 있다.
U자형 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 커버(220)는 U자형 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 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)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, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 전지셀 적층체(120)의 전면(y축 방향)과 후면(y축 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.
이하에서는 도 4를 참고하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제3 열전도 층(530)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀 적층체 및 열전도 층을 나타낸 사시도이다.
도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 열전도 층(500)은, 제1 열전도 층(510)과 제2 열전도 층(520) 사이에 위치한 제3 열전도 층(530)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 제3 열전도 층(530)은 제1 열전도 층(510) 및 제2 열전도 층(520) 각각과 연결될 수 있으며, 전지셀(110)의 셀 본체(113)의 일면과 평행한 방향을 따라 이어질 수 있다. 즉, 제3 열전도 층(530)은 전지셀(110)의 적층 방향과 수직한 y축 방향을 따라 이어질 수 있다. 또한, 제3 열전도 층(530)은, 전지셀 적층체(120)의 가장 바깥쪽에 위치한 전지셀(110)들로부터 이격하여 위치할 수 있으며, 보다 구체적으로 전지셀 적층체(120)의 상면 중앙에 위치할 수 있다.
상술한 바대로, 본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)는 전지셀(110)의 개수가 종래 보다 많아지는 대면적 모듈일 수 있다. 전지셀(110)의 개수가 많아짐에 따라 전지 모듈의 용량이나 출력이 증가할 수 있으나, 가장 바깥쪽에 위치한 전지셀(110)과 안쪽에 위치한 전지셀(110) 간의 온도 편차가 크게 발생할 수 있다. 전지 모듈(100) 내에서 전지셀(110) 간의 큰 온도 편차가 지속될 경우 전지 모듈 자체의 수명을 낮추는 원인이 될 수 있다.
이에 본 실시예에 따라 제3 열전도 층(530)을 형성함으로써, 가장 바깥쪽에 위치한 전지셀(110)과 안쪽에 위치한 전지셀(110) 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 보통 가장 안쪽에 위치한 전지셀(110)은 열 발산이 어려우나, 본 실시예에 따르면 제3 열전도 층(530)이 형성되어 있으므로, 가장 안쪽에 위치한 전지셀(110)은 제3 열전도 층(530)과 상부 커버(220)를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 열을 발산할 수 있다.
본 발명에 대한 비교예로써 전지셀 적층체(120)의 상면 전체에 열전도 층이 형성될 수 있다. 이 경우, 전지셀(110)의 일측부(114c) 전체에 열전도 층이 형성되는 것이며, 부분마다 발열 정도의 차이가 심한 전지셀(110)에 대해 균일하게 분포된 열전도 층은 전지셀(110)의 부분 간 온도 편차를 해소하기 어렵다. 이와 달리 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제1 열전도 층(510)과 제2 열전도 층(520)을 포함하기 때문에, 전지셀(110)의 발열이 심한 양 단 부분(E1, E2)에서 열 발산이 효과적으로 이루어질 수 있고, 하나의 전지셀(110)에 대해 각 부분간 온도 편차를 최소화 할 수 있다.
또한, 비교예로써 전지셀 적층체(120)의 상면 전체에 형성된 열전도 층은 전지셀 적층체(120)의 상면에 대해서도 균일하게 분포된 것이므로, 전지셀 적층체(120)의 전지셀(110) 간의 온도 편차를 해소하기 어렵다. 이와 달리 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제3 열전도 층(530)을 포함하기 때문에 가장 안쪽에 위치한 전지셀(110)에 대해서도 열 발산이 효과적으로 이루어질 수 있고, 전지셀 적층체(120)의 전지셀(110) 간의 온도 편차를 최소화할 수 있다.
전지셀(110)의 각 부분간 온도 편차나 전지셀 적층체(120)에서 전지셀(110) 간의 온도 편차는, 종국적으로 전지 모듈의 성능 저하의 원인이 되기 때문에 본 실시예에 따른 제1 내지 제3 열전도 층(510, 520, 530)은 전지 모듈의 고른 성능 및 수명 향상에 큰 기여를 할 수 있다.
이하에서는, 도 2, 도 3 및 도 5를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성 수지층에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 5은 도 2의 전지 모듈에 포함된 U자형 프레임과 히트 싱크를 나타낸 사시도이다.
도 2, 도 3 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀 적층체(120)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층(600)을 더 포함할 수 있다. 열전도성 수지층(600)은, 서로 이격 형성되는 제1 열전도성 수지층(610) 및 제2 열전도성 수지층(620)을 포함할 수 있고, 제1 열전도성 수지층(610)과 제2 열전도성 수지층(620)은 바닥부(210a) 중 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치할 수 있다.
열전도성 수지층(600)은, 전지셀 적층체(120)가 모듈 프레임(200)에 수용되기 전에 열전도성 수지(Thermal resin)를 바닥부(210a)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
전지셀 적층체(120)는 열전도성 수지가 도포된 후 경화되기 전에 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 수직한 방향(-z축 방향)을 따라 이동하면서 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 장착될 수 있다. 이후 열전도성 수지가 경화되어 형성된 열전도성 수지층(600)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 위치할 수 있다.
구체적으로, 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 전달하여 전지 모듈의 과열을 방지할 수 있다. 다시 말해, 전지셀(110)로부터 발생한 열은 열전도성 수지층(600), 바닥부(210a) 및 후술하는 히트 싱크(300)를 통해 전지 모듈(100) 외부로 배출될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바 대로, 전지셀(110) 중 전극 리드(111, 112)와 인접한 부분은 발열이 심한데, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 전체에 열전도성 수지층을 형성하는 것이 아닌, 발열이 심한 부분에 제1 열전도성 수지층(610) 및 제2 열전도성 수지층(620)을 형성하여 원재료의 절감과 함께 냉각 및 방열 성능을 높을 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 제1 열전도성 수지층(610) 및 제2 열전도성 수지층(620) 사이의 바닥부(210a)에는 절연 필름 등이 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 5 및 도 6 등을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 싱크의 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 도 1의 전지 모듈을 xy 평면에서 z축 방향으로 바라본 평면도이다.
도 2, 도 5 및 도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 히트 싱크(300)를 포함할 수 있고, 바닥부(210a)는 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성할 수 있다. 이때, 히트 싱크(300)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접 등으로 접합하는 하부 플레이트(310) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 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 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.
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(1000) 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)에서 발생한 열이 열전도성 수지층(600), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a), 냉매를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달될 수 있다. 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 접촉하기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 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 전지팩(1000)의 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 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되기 위해 함몰부(340)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는 냉매의 유입을 위한 유입구(320) 및 냉매의 배출을 위한 배출구(330)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 히트 싱크(300)의 함몰부(340)가 일측에서 타측으로 이어질 때, 함몰부(340)의 일측 하단부에 유입구(320)가 마련될 수 있고, 함몰부(340)의 타측 하단부에 배출구(330)가 마련될 수 있다. 후술하는 팩 냉매 공급관으로부터 유입구(320)를 통해 냉매가 바닥부(210a)와 함몰부(340) 사이로 처음 유입되고, 유입된 냉매가 함몰부(340)를 따라 이동한 후 배출구(330)를 통해 팩 냉매 배출관으로 배출될 수 있다. 바닥부(210a) 전 영역에 걸쳐 형성된 함몰부(340)의 일측에서 타측으로 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 함몰부(340)에는 격벽(350)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 격벽(350)은 함몰부(340)이 함몰 방향과 반대 방향으로 돌출 형성된 구조로써, 함몰부(340)를 따라 이어질 수 있다. 본 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 전지셀(110)이 하나의 전지 모듈 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 격벽(350)은 냉각 유로의 폭을 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 7 등을 참고하여, 히트 싱크의 마운팅 구조에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7은 도 6의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면도이다. 다만, 설명의 편의를 위해 도 7은 전지 모듈 아래에 위치한 팩 냉매 공급관 및 팩 프레임을 추가로 도시하였다.
도 2, 도 5 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 일부가 돌출되어 엔드 플레이트(400)를 지나도록 형성된 제1 모듈 프레임 돌출부(211a) 및 제2 모듈 프레임 돌출부(211b)를 포함하고, 제1 모듈 프레임 돌출부(211a)와 제2 모듈 프레임 돌출부(211b)는 서로 이격되어 위치한다. 보다 상세하게는 제1 모듈 프레임 돌출부(211a)와 제2 모듈 프레임 돌출부(211b)가 바닥부(210a)의 일 모서리의 양 단에 각각 위치할 수 있다.
히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 제1 모듈 프레임 돌출부(211a)와 제2 모듈 프레임 돌출부(211b)가 위치한 부분으로 각각 돌출된 제1 히트 싱크 돌출부(311a)와 제2 히트 싱크 돌출부(311b)를 포함할 수 있다.
제1 모듈 프레임 돌출부(211a)와 제2 모듈 프레임 돌출부(211b)에 모듈 프레임 마운팅홀(211H)이 형성될 수 있고, 제1 히트 싱크 돌출부(311a)와 제2 히트 싱크 돌출부(311b)에 히트 싱크 마운팅홀(311H)이 형성될 수 있다.
모듈 프레임 마운팅홀(211H)과 히트 싱크 마운팅홀(311H)의 개수에는 특별한 제한이 없으나, 모듈 프레임 마운팅홀(211H)의 개수와 히트 싱크 마운팅홀(311H)의 개수는 서로 동일한 것이 바람직하며, 모듈 프레임 마운팅홀(211H)과 히트 싱크 마운팅홀(311H)이 서로 대응되도록 위치하는 것이 더욱 바람직하다.
도 7을 참고하면, 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)에 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다. 이때, 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100) 사이에 팩 냉매 공급관(1200)이 위치할 수 있다.
팩 냉매 공급관(1200)은 전지 모듈에 냉매를 공급하기 위한 구성으로써, 냉매 공급용 개구(1210)가 형성될 수 있다. 앞서 설명한 히트 싱크(300)의 유입구(320)가 냉매 공급용 개구(1210)와 대응하도록 위치하여 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 팩 냉매 공급관(1200)을 따라 이동하는 냉매가 냉매 공급용 개구(1210)와 유입구(320)를 통해 히트 싱크(300)와 바닥부(210a) 사이로 유입될 수 있다.
또한, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100) 사이에 냉매 배출용 개구(미도시)가 형성된 팩 냉매 배출관(미도시)이 위치할 수 있다. 앞서 설명한 히트 싱크(300)의 배출구(330)가 상기 냉매 배출용 개구와 대응하도록 위치하여 서로 연결될 수 있다. 함몰부(340)를 따라 이동한 냉매는 배출구(330) 및 상기 냉매 배출용 개구를 통해 상기 팩 냉매 배출관으로 배출될 수 있다.
한편, 팩 프레임(1100)에는 모듈 프레임 마운팅홀(211H) 및 히트 싱크 마운팅홀(311H)과 대응하는 체결홀(1110)이 형성될 수 있으며, 마운팅 볼트(1120)가 모듈 프레임 마운팅홀(211H) 및 히트 싱크 마운팅홀(311H)을 통과하여 체결홀(1110)에 결합될 수 있다. 이 때, 팩 냉매 공급관(1200)은 팩 프레임(1100) 상에서 마운팅 볼트(1120)를 회피하여 지나가도록 설계될 수 있다.
마운팅 볼트(1120)를 통해 모듈 프레임(200)과 히트 싱크(300)를 팩 프레임(1100)에 고정시킬 수 있다. 또한 마운팅 볼트(1120)의 체결력에 의해, 바닥부(210a), 히트 싱크(300) 및 팩 냉매 공급관(1200)이 서로 강하게 밀착되기 때문에 밀봉성이 향상되어 그 사이에서의 냉매 누설의 가능성을 줄일 수 있다. 특히, 유입구(320)와 배출구(330)가 각각 제1 히트 싱크 돌출부(311a)와 제2 히트 싱크 돌출부(311b)에 인접하여 위치할 수 있으므로, 유입구(320)와 배출구(330)로부터의 냉매의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
한편, 유입구(320) 및 배출구(330) 중 적어도 하나는 그 외주를 감싸는 실링 부재(321)를 포함할 수 있다. 실링 부재(321)는 히트 싱크(300) 아래에 위치할 수 있으며, 보다 상세하게는 히트 싱크(300)와 팩 냉매 공급관(1200) 사이에 위치할 수 있다. 이러한 실링 부재(321)를 통해 냉매의 유입 및 배출 시, 냉매의 누설을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 실링 부재(321)의 구조의 제한은 없으나 도시된 바와 같은 가스켓(Gasket) 형태의 부재나 밸브 포트(Valve port)의 부재가 적용될 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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.
부호의 설명
100: 전지 모듈
200: 모듈 프레임
210a: 바닥부
500: 열전도 층
600: 열전도성 수지층

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 및
    상기 전지셀 적층체 상에 위치한 열전도 층를 포함하고,
    열전도 층은, 상기 전지셀 적층체의 상면 중 상기 전지셀의 전극 리드가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치한 제1 열전도 층 및 제2 열전도 층을 포함하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 열전도 층과 상기 제2 열전도 층은, 상기 전지셀들의 적층 방향을 따라 이어지는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 열전도 층은, 상기 제1 열전도 층과 상기 제2 열전도 층 사이에 위치한 제3 열전도 층을 포함하는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 제3 열전도 층은 상기 제1 열전도 층 및 상기 제2 열전도 층 각각과 연결되는 전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 제3 열전도 층은, 상기 전지셀의 셀 본체의 일면과 평행한 방향을 따라 이어지는 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 제3 열전도 층은, 상기 전지셀 적층체의 가장 바깥쪽에 위치한 전지셀로부터 이격되어 위치하는 전지 모듈.
  7. 제1항에서,
    상기 전지셀 적층체와 상기 모듈 프레임의 바닥부 사이에 위치하는 열전도성 수지(Thermal resin)층을 더 포함하는 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 열전도성 수지층은, 서로 이격 형성되는 제1 열전도성 수지층 및 제2 열전도성 수지층을 포함하고,
    상기 제1 열전도성 수지층과 상기 제2 열전도성 수지층은, 상기 바닥부 중 상기 전지셀의 전극 리드가 돌출되는 방향의 양 단부에 각각 위치하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 더 포함하고,
    상기 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하는 전지 모듈.
  10. 제9항에서,
    상기 히트 싱크와 상기 바닥부가 냉매의 유로를 형성하고,
    상기 바닥부는 상기 냉매와 접촉하는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
PCT/KR2021/004395 2020-06-04 2021-04-08 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 WO2021246636A1 (ko)

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