WO2022149926A1 - 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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WO2022149926A1
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battery
air
battery module
battery cell
circulation duct
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유상현
구원회
윤한기
공병오
신진규
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, a battery pack including the same, and a vehicle, and more particularly, to a battery module capable of improving life expectancy, a battery pack including the same, and a vehicle.
  • 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.
  • a 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 applied, respectively, are disposed with a separator interposed therebetween, and a casing for sealing and housing the electrode assembly together with an electrolyte, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery consists of a positive electrode, a negative electrode, and a separator and an electrolyte interposed therebetween, and depending on which positive electrode active material and negative electrode active material are used, a lithium secondary battery (Lithium Ion Battery, LIB), a lithium polymer battery (Polymer Lithium Ion Battery) , PLIB), etc.
  • the electrodes of these lithium secondary batteries are formed by coating a positive or negative electrode active material on a current collector such as an aluminum or copper sheet, a mesh, a film, or a foil, and then drying.
  • various types of secondary batteries are provided with a case capable of protecting battery cells, and include a battery module in which a plurality of battery cells are stacked and inserted into the case, and a battery pack including a plurality of battery modules.
  • the battery cells may be electrically connected to each other through a bus bar that is a conductor.
  • a bus bar that is a conductor.
  • an anode electrode lead is made of an aluminum material
  • a cathode electrode lead is made of a copper material
  • the bus bar is also made of a copper material.
  • an exhaust fan may be installed and provided to cool the battery cells while air moves by the exhaust fan.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a battery module capable of improving life expectancy by minimizing the temperature difference between battery cells through uniform cooling regardless of the location of the battery cells, a battery pack including the same, and a vehicle will provide
  • a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a case in which the battery cell stack is accommodated; an air circulation duct disposed between the battery cell stacks and having a plurality of holes formed therein; It includes an exhaust fan coupled to one side of the air circulation duct, the holes of the air circulation duct may be provided with a battery module, characterized in that the size is different.
  • the plurality of battery cell stacks may be arranged in at least two rows and at least two columns, and the air circulation duct may be disposed between the plurality of battery cell stacks.
  • the hole of the air circulation duct may be provided such that the size of the hole closest to the exhaust fan among the holes is the smallest, and the size of the hole increases as the distance from the arrangement fan increases.
  • the plurality of battery cells are surrounded by an upper end plate, a lower end plate, and a side end plate, and an air inflow path is formed in the side end plate, and air flows therein between the plurality of battery cells.
  • An air cooling plate having a hollow formed therein is interposed therebetween, and the air inlet of the side end plate and the hollow of the air cooling plate may be provided to be positioned at the same height.
  • At least one partition wall may be formed in the hollow inside the heat dissipation plate.
  • a plurality of the partition walls may be arranged at equal intervals.
  • the case may include an upper cover, a side cover, and a lower cover, and the side cover may be removed from a portion where the air inlet is located to expose the air inlet to the outside.
  • an air passage may be formed in the upper cover, and the air moving to the battery cell stack through the air passage may be provided to pass through the air inlet and move to the air circulation duct.
  • a battery pack including the above-described battery module may be provided, and a vehicle including the battery module may be provided.
  • Embodiments of the present invention have the effect of improving the life expectancy by minimizing the temperature difference between the battery cells through uniform cooling regardless of the positions of the battery cells by changing the overall structure.
  • FIG. 1 is an overall perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic plan view in which the battery cell stack, the air circulation duct, and the exhaust fan are separated from the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of an air circulation duct in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view taken along arrow A of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a view illustrating an air circulation duct and an exhaust fan separated from the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an air cooling plate interposed between battery cells in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a side view of a state in which an air inlet is formed on a side end plate in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the movement of air in the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • each component or a specific part constituting the component is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of description. Accordingly, the size of each component does not fully reflect the actual size. If it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, such description will be omitted.
  • the term 'coupled' or 'connected' refers to a case in which one member and another member are directly coupled or directly connected, as well as when one member is indirectly coupled to another member through a joint member, or indirectly. Including cases connected to
  • FIG. 1 is an overall perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a battery module according to an embodiment of the present invention. It is a schematic plan view in which the battery cell stack, the air circulation duct, and the exhaust fan are separated
  • FIG. 4 is a perspective view of the air circulation duct in the battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a battery in the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a side view of a state in which an air inlet is formed in the side end plate in the battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 10 includes a battery cell stack 100 , a case 200 , an air circulation duct 300 , and an exhaust fan 400 . do.
  • the battery cell stack 100 a plurality of battery cells 110 provided with electrode leads are provided and stacked. Referring to FIG. 2 , the plurality of battery cell stacks 100 are arranged in at least two rows and at least two columns.
  • the electrode lead provided in the battery cell 110 is exposed to the outside and a conductive material may be used as a kind of terminal connected to an external device.
  • the electrode lead may include a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may be disposed in opposite directions with respect to the longitudinal direction of the battery cell 110 , or the positive electrode lead and the negative electrode lead may be disposed in the same direction with respect to the longitudinal direction of the battery cell 110 . may be located.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may be made of various materials, for example, the positive electrode lead may be made of an aluminum material, and the negative electrode lead may be made of a copper material.
  • the electrode lead may be electrically coupled to a bus bar (not shown).
  • the battery cell 110 is a unit cell arranged in the order of positive plate-separator-negative plate or positive plate-separator-negative plate-separator-positive plate-separator-negative plate bi-cell arranged in the order of the battery It may have a structure in which a plurality of layers are stacked according to the capacity.
  • the battery cell stack 100 may be configured such that a plurality of battery cells 110 are stacked on each other.
  • the battery cells 110 may have various structures, and the plurality of battery cells 110 may be stacked in various ways.
  • the battery cell stack 100 may include a plurality of cartridges (not shown) accommodating each battery cell 110 .
  • Each cartridge (not shown) may be manufactured by injection molding of plastic, and a plurality of cartridges (not shown) in which an accommodating part capable of accommodating the battery cell 110 is formed may be stacked.
  • a cartridge assembly in which a plurality of cartridges (not shown) are stacked may be provided with a connector element or a terminal element.
  • the connector element may include, for example, various types of electrical connection parts or connection members for connection to a battery management system (BMS, not shown) that can provide data on the voltage or temperature of the battery cell 110 . have.
  • BMS battery management system
  • the terminal element includes a positive terminal and a negative terminal as a main terminal connected to the battery cell 110 , and the terminal element is provided with a terminal bolt to be electrically connected to the outside.
  • the battery cell 110 may have various shapes.
  • the battery cell stack 100 or the cartridge assembly in which the battery cell stack 100 is accommodated is accommodated in the case 200 .
  • the case 200 may be provided to surround the battery cell stack 100 .
  • the case 200 surrounds the entire battery cell stack 100 or the plurality of cartridge assemblies, thereby protecting the battery cell stack 100 or the cartridge assembly from external vibration or impact.
  • the case 200 may be formed in a shape corresponding to the shape of the battery cell stack 100 or the cartridge assembly.
  • the case 200 may also be provided in a hexahedral shape to correspond thereto.
  • the case 200 may be configured to include an upper cover 210 , a side cover 220 , and a lower cover 230 .
  • an air inlet 521 is formed in the side end plate 520 surrounding the battery cells 110 , where, of the side end plate 520 of the side cover 220 of the case 200 , The side cover 220 may be removed from the portion where the air inlet 521 is located so that the air inlet 521 may be exposed to the outside.
  • an air passage 211 may be formed in the upper cover 210 , and the air that has moved to the battery cell stack 100 through the air passage 211 passes through the air inlet 521 to the air circulation duct. Moving to 300 , the battery cells 110 are cooled. This will be described in detail below with reference to FIG. 9 .
  • the case 200 may be manufactured by, for example, bending a plate made of a metal material, or may be manufactured by plastic injection molding. And, the case 200 may be manufactured integrally or may be manufactured as a separate type.
  • a through portion (not shown) through which the aforementioned connector element or terminal element can be exposed to the outside may be formed in the case 200 . That is, the connector element or the terminal element may be electrically connected to a predetermined external component or member, and a through portion may be formed in the case 200 so that the electrical connection is not disturbed by the case 200 .
  • the air circulation duct 300 is disposed between the plurality of battery cell stacks 100 and a plurality of holes 310 are formed.
  • the holes 310 of the air circulation duct 300 are provided to have different sizes.
  • the size of the hole 310a closest to the exhaust fan 400 among the holes 310 of the air circulation duct 300 is the smallest, and the further away from the arrangement fan, the hole 310 increases, and the size of the hole 310b farthest from the exhaust fan 400 is the largest.
  • the battery cells located far from the exhaust fan can be sufficiently cooled because a large amount of air is introduced at once, thereby minimizing the temperature difference between the battery cells 110 and improving the life expectancy.
  • the exhaust fan 400 is coupled to only one side of the air circulation duct 300 , and is provided to cool the battery cells 110 while circulating air outside the case 200 after flowing into the case 200 .
  • the exhaust fan 400 is coupled only to one end rather than both ends of the air circulation duct 300 , and referring to FIG. 5 , the rear of the air circulation duct 300 is blocked.
  • the exhaust fan 400 may be provided in various ways and includes various types of fans capable of circulating air.
  • the plurality of battery cells 110 may be protected by the end plate 500 .
  • the end plate 500 may include an upper end plate 510, a lower end plate 530, and a side end plate 520, and a plurality of battery cells 110 include an upper end plate 510 and, The lower end plate 530 and the side end plate 520 may be configured to be surrounded.
  • an air inlet 521 is formed in the side end plate 520 .
  • an air cooling plate 600 may be interposed between the plurality of battery cells 110 .
  • a plurality of air cooling plates 600 may be provided, and a plurality of air cooling plates 600 may be respectively disposed between the plurality of battery cells 110 . That is, a plurality of air cooling plates 600 are respectively disposed between the plurality of battery cells 110 .
  • a hollow 610 is formed inside the air cooling plate 600 so that a fluid can flow. That is, the air moves along the hollow 610 inside the air cooling plate 600 to cool the battery cells 110 in contact with the air cooling plate 600 . Accordingly, there is an effect of dissipating heat from each of the plurality of battery cells 110 .
  • the air cooling plate 600 is provided to have preset rigidity so as not to deform even when swelling occurs in the battery cell 110 .
  • gas is generated inside the battery cell 110 during charging and discharging, and a swelling phenomenon in which the battery cell 110 swells occurs.
  • the air cooling plate 600 is disposed between the plurality of battery cells 110, if the air cooling plate 600 is weak in rigidity, when the battery cells 110 swell by swelling, the air cooling plate 600 is deformed while being pressurized to narrow the hollow 610 formed inside the air cooling plate 600, thereby narrowing the passage through which air can move, thereby reducing the heat dissipation effect.
  • the air cooling plate 600 should have a rigidity in a preset range so that the shape is not deformed even when the swelling phenomenon of the battery cell 110 occurs.
  • the range of stiffness of the air cooling plate 600 may be experimentally determined.
  • the air cooling plate 600 is not deformed and the hollow 610 through which air passes can be maintained as it is.
  • At least one partition wall 620 may be formed in 610 .
  • a plurality of partition walls 620 may be provided at equal intervals. In this way, even when the swelling phenomenon of the battery cell 110 occurs due to the partition walls 620 arranged at equal intervals, the shape of the hollow 610 of the air cooling plate 600 can be maintained, whereby the battery cell ( 110) has the effect of maintaining the cooling performance even when the swelling occurs.
  • the air cooling plate 600 may be provided with a heat-conducting metal material, for example, may be provided with an excellent heat-conducting aluminum material.
  • the material of the air cooling plate 600 is not limited to aluminum.
  • the air cooling plate 600 is in contact with only one side of the battery cell 110 , which is in consideration of the overall height of the battery cell stack 100 , and the air cooling plate 600 is the battery cell It may be provided to contact both surfaces of 110 .
  • the air inlet 521 of the side end plate 520 and the hollow 610 of the air cooling plate 600 may be provided to be positioned at the same height.
  • the air introduced through the air inlet 521 of the side end plate 520 moves through the hollow 610 of the air cooling plate 600 to cool the battery cells 110, and the air cooling plate ( After moving from the 600) to the air circulation duct 300, it is discharged through the exhaust fan 400.
  • FIG 9 is a view showing the movement of air in the battery module 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the air inlet 521 of the side end plate 520 of the side cover 220 of the case 200 is located.
  • the side cover 220 may be removed so that the air inlet 521 of the side end plate 520 is exposed to the outside.
  • the air inlet 521 of the side end plate 520 and the hollow 610 of the air cooling plate 600 may be provided to be positioned at the same height.
  • the exhaust fan 400 when the exhaust fan 400 operates, the air introduced through the air inlet 521 of the side end plate 520 (see arrow a in FIG. 9 ) moves into the hollow of the air cooling plate 600 .
  • the battery cells 110 are cooled while moving through the 610, and the exhaust fan 400 after moving from the air cooling plate 600 to the air circulation duct 300 through the hole 310 of the air circulation duct 300. is discharged through (see arrow d in FIG. 9).
  • the holes 310 of the air circulation duct 300 have the smallest size of the hole 310a closest to the exhaust fan 400 , and the hole 310 as the distance from the exhaust fan 400 increases. ) may be increased so that the size of the hole 310b farthest from the exhaust fan 400 may be configured to be the largest. can be sufficiently cooled.
  • an air passage 211 may be formed on the top cover 210 , and it moves toward the battery cell stack 100 through the air passage 211 (see arrow b in FIG. 9 ). ) one air passes through the air inlet path 521 and moves through the hollow 610 of the air cooling plate 600 to cool the battery cells 110 and from the air cooling plate 600 to the air circulation duct 300 of the After moving to the air circulation duct 300 through the hole 310 (see arrow c in FIG. 9 ), it is discharged through the exhaust fan 400 (see arrow d in FIG. 9 ).
  • the battery module 10 can not only easily cool the battery cells 110 as a whole by such a structure, but also minimize the temperature difference between the battery cells 110 to improve life expectancy. there is an effect
  • a battery pack (not shown) according to an embodiment of the present invention may include one or more battery modules 10 according to an embodiment of the present invention as described above.
  • the battery pack in addition to the battery module 10, a housing for accommodating the battery module 10, various devices for controlling the charging and discharging of the battery module 10, such as BMS, current A sensor, a fuse, etc. may be further included.
  • a vehicle (not shown) may include the above-described battery module 10 or a battery pack (not shown), and the battery pack (not shown) includes the battery module 10 . may be included.
  • the battery module 10 according to an embodiment of the present invention is applied to the vehicle (not shown), for example, a predetermined vehicle (not shown) provided to use electricity such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. can
  • the present invention relates to a battery module, a battery pack including the same, and a vehicle, and in particular, can be used in industries related to secondary batteries.

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Abstract

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀들이 적층되는 배터리 셀 적층체; 배터리 셀 적층체가 수납되는 케이스; 배터리 셀 적층체들 사이에 배치되고 복수의 구멍들이 형성된 공기순환덕트; 공기순환덕트의 일측에 결합된 배기팬을 포함하며, 공기순환덕트의 구멍들은 크기가 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차
본 출원은 2021년 01월 08일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2021-0002824호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은, 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기대 수명을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 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 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이차 전지(Lithium Ion Battery, LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymer Lithium Ion Battery, PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차 전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다. 그리고, 다양한 종류의 이차 전지는 배터리 셀을 보호할 수 있는 케이스가 구비되며, 복수의 배터리 셀들이 적층되어 케이스에 인입된 배터리 모듈과, 복수의 배터리 모듈들이 포함된 배터리 팩을 포함한다.
배터리 셀들은 도전체인 버스바를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 일반적으로 양극 전극 리드는 알루미늄 재질로 제작되고, 음극 전극 리드는 구리 재질로 제작되며, 버스바 역시 구리 재질로 제작된다.
배터리 모듈에 구비된 배터리 셀들을 계속적으로 사용하면 배터리 셀들로부터 열이 발생하므로 배터리 셀들은 다양한 방식으로 냉각된다. 예를 들어, 배기팬이 설치되고 배기팬에 의해 공기가 이동하면서 배터리 셀들을 냉각하도록 마련될 수 있다.
하지만, 종래 배기팬에 결합된 덕트의 길이가 길어지는 경우 배기팬으로부터 멀리 떨어진 부분에 위치한 배터리 셀들은 배기팬으로부터 가까운 부분에 위치한 배터리 셀들에 비해 냉각이 잘되지 않으므로, 배터리 셀들의 수명이 달라져 배터리 모듈의 수명을 저해하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 배터리 셀들의 위치에 관계없이 균일한 냉각을 통해 배터리 셀들간의 온도 차이를 최소화하여 기대 수명을 향상시킬 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀들이 적층되는 배터리 셀 적층체; 상기 배터리 셀 적층체가 수납되는 케이스; 상기 배터리 셀 적층체들 사이에 배치되고 복수의 구멍들이 형성된 공기순환덕트; 상기 공기순환덕트의 일측에 결합된 배기팬을 포함하며, 상기 공기순환덕트의 상기 구멍들은 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 복수의 배터리 셀 적층체들은 적어도 2행과 적어도 2열로 배열되며, 상기 공기순환덕트는 상기 복수의 배터리 셀 적층체들 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 공기순환덕트의 상기 구멍은 상기 구멍들 중 상기 배기팬에서 가장 가까운 구멍의 크기가 가장 작고, 상기 배치팬으로부터 멀어질수록 구멍의 크기가 증가하도록 마련될 수 있다.
또한, 복수의 배터리 셀들은 상면 엔드플레이트와, 하면 엔드플레이트와, 측면 엔드플레이트로 둘러싸여져 있고, 상기 측면 엔드플레이트에는 공기유입로가 형성되어 있으며, 상기 복수의 배터리 셀들 사이에는 내부에 공기가 흐를 수 있도록 중공이 형성된 공기냉각플레이트가 개재되어 있고, 상기 측면 엔드플레이트의 상기 공기유입로와 상기 공기냉각플레이트의 중공은 동일한 높이에 위치하도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 방열플레이트의 내부의 상기 중공에는 적어도 하나의 격벽이 형성될 수 있다.
또한, 상기 격벽은 복수로 마련되어 등간격으로 배치될 수 있다.
그리고, 상기 케이스는 상면 커버와, 측면 커버와, 하면 커버를 포함하며, 상기 공기유입로가 위치한 부분에는 측면 커버가 제거되어 상기 공기유입로가 외부에 노출될 수 있다.
또한, 상기 상면 커버에는 공기이동구가 형성되며, 상기 공기이동구를 통해 배터리 셀 적층체로 이동한 공기가 상기 공기유입로를 통과하여 상기 공기순환덕트로 이동하도록 마련될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있고, 또한, 상기 배터리 모듈을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 전체 구조를 변경하여 배터리 셀들의 위치에 관계없이 균일한 냉각을 통해 배터리 셀들간의 온도 차이를 최소화하여 기대 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전체 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀 적층체와, 공기순환덕트와, 배기팬이 분리된 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 공기순환덕트의 사시도이다.
도 5는 도 4의 화살표 A를 따라 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 공기순환덕트와, 배기팬이 분리된 모습의 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀들 사이에 공기냉각플레이트가 개재된 모습의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 측면 엔드플레이트에 공기유입로가 형성된 모습의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 공기의 이동을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분리 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀 적층체와, 공기순환덕트와, 배기팬이 분리된 개략적인 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 공기순환덕트의 사시도이며, 도 5는 도 4의 화살표 A를 따라 바라본 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 공기순환덕트와, 배기팬이 분리된 모습의 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 배터리 셀들 사이에 공기냉각플레이트가 개재된 모습의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 측면 엔드플레이트에 공기유입로가 형성된 모습의 측면도이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀 적층체(100)와, 케이스(200)와, 공기순환덕트(300)와, 배기팬(400)을 포함한다.
배터리 셀 적층체(100)는 전극 리드가 구비된 배터리 셀(110)이 복수로 마련되어 적층된다. 도 2를 참조하면, 복수의 배터리 셀 적층체(100)들은 적어도 2행과 적어도 2열로 배열된다.
배터리 셀(110)에 구비되는 전극 리드는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다.
전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀(110)의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다.
양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 다양한 재질로 마련될 수 있으며, 예를 들어, 양극 전극 리드는 알루미늄 재질로 제작되고, 음극 전극 리드는 구리 재질로 제작될 수 있다.
전극 리드는 버스바(미도시)에 전기적으로 결합될 수 있다. 배터리 셀(110)은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀(Unit Cell) 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀(Bi-Cell)을 전지 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
배터리 셀 적층체(100)는 복수의 배터리 셀(110)들이 서로 적층되도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(110)은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 또한, 복수의 배터리 셀(110)들은 다양한 방식으로 적층될 수 있다.
배터리 셀 적층체(100)는 각각의 배터리 셀(110)을 수납하는 카트리지(미도시)가 복수로 구비될 수 있다. 각각의 카트리지(미도시)는 플라스틱의 사출 성형으로 제조될 수 있고, 배터리 셀(110)을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 복수의 카트리지들(미도시)이 적층될 수 있다.
복수의 카트리지들(미도시)이 적층된 카트리지 조립체에는 커넥터 요소 또는 단자 요소가 구비될 수 있다. 커넥터 요소는, 예를 들어, 배터리 셀(110)의 전압 또는 온도에 대한 데이터를 제공할 수 있는 BMS(Battery Management System, 미도시) 등에 연결되기 위한 다양한 형태의 전기적 연결 부품 내지 연결 부재가 포함될 수 있다.
그리고, 단자 요소는 배터리 셀(110)에 연결되는 메인 단자로서 양극 단자와 음극 단자를 포함하며, 단자 요소는 터미널 볼트가 구비되어 외부와 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 배터리 셀(110)은 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 케이스(200)에는 배터리 셀 적층체(100) 또는, 배터리 셀 적층체(100)가 수납된 카트리지 조립체가 수납된다. 예를 들어, 케이스(200)는 배터리 셀 적층체(100)를 둘러싸도록 마련될 수 있다.
케이스(200)는 배터리 셀 적층체(100) 또는 복수의 카트리지 조립체들의 전체를 둘러싸며 이에 의해 외부의 진동이나 충격으로부터 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체를 보호한다.
케이스(200)는 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀 적층체(100) 또는 카트리지 조립체가 육면체 형상으로 마련되는 경우 케이스(200)도 이에 대응되도록 육면체 형상으로 마련될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 케이스(200)는 상면 커버(210)와, 측면 커버(220)와, 하면 커버(230)를 포함하도록 구성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 배터리 셀(110)들을 둘러싸는 측면 엔드플레이트(520)에는 공기유입로(521)가 형성되는데, 여기서, 케이스(200)의 측면 커버(220) 중 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)가 위치한 부분에는 측면 커버(220)가 제거되어 공기유입로(521)가 외부에 노출되도록 마련될 수 있다.
이와 같은 구조에 의해 공기가 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)를 통해 원활하게 배터리 셀(110)들측으로 이동할 수 있다.
그리고, 상면 커버(210)에는 공기이동구(211)가 형성될 수 있으며, 공기이동구(211)를 통해 배터리 셀 적층체(100)로 이동한 공기가 공기유입로(521)를 통과하여 공기순환덕트(300)로 이동하면서 배터리 셀(110)들을 냉각시킨다. 이에 대해서는 도 9를 참조하여 아래에서 구체적으로 설명한다.
케이스(200)는 예를 들어, 금속 재질의 플레이트를 절곡하여 제조될 수 있고 또는 플라스틱 사출물에 의해 제조될 수도 있다. 그리고, 케이스(200)는 일체형으로 제조될 수도 있고, 또는 분리형으로 제조될 수도 있다.
케이스(200)에는 전술한 커넥터 요소 또는 단자 요소가 외부로 노출될 수 있는 관통부(미도시)가 형성될 수 있다. 즉, 커넥터 요소 또는 단자 요소는 외부의 소정 부품 내지 부재와 전기적으로 연결될 수 있는데, 이러한 전기적 연결이 케이스(200)에 의해 방해되지 않도록 케이스(200)에 관통부가 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, 공기순환덕트(300)는 복수의 배터리 셀 적층체(100)들 사이에 배치되고 복수의 구멍(310)들이 형성된다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 공기순환덕트(300)의 구멍(310)들은 크기가 상이하도록 마련된다. 예를 들어, 도 6에서와 같이 공기순환덕트(300)의 구멍(310)들 중 배기팬(400)에서 가장 가까운 구멍(310a)의 크기가 가장 작고, 배치팬으로부터 멀어질수록 구멍(310)의 크기가 증가하며, 배기팬(400)에서 가장 멀리 있는 구멍(310b)의 크기가 가장 크게 마련된다.
이와 같이, 공기순환덕트(300)의 구멍(310)들의 크기가 배치팬으로부터 멀어질수록 증가하게 형성되면 배기팬(400)으로부터 멀리 떨어진 부분에 위치한 배터리 셀(110)들로 많은 공기가 한번에 유입될 수 있다.
즉, 배기팬으로부터 멀리 떨어진 부분에 위치한 배터리 셀들도 많은 양의 공기가 한번에 유입됨으로 인해 충분히 냉각될 수 있으므로, 이에 의해 배터리 셀(110)들간의 온도 차이가 최소화되어 기대 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
배기팬(400)은 공기순환덕트(300)의 일측에만 결합되며, 케이스(200) 외부의 공기가 케이스(200) 내부로 유입된 후 순환하면서 배터리 셀(110)들을 냉각시키도록 마련된다.
여기서, 배기팬(400)은 공기순환덕트(300)의 양측 단부가 아니라 일측 단부에만 결합되며, 도 5를 참조하면, 공기순환덕트(300)의 후방은 막혀 있다.
배기팬(400)은 다양하게 마련될 수 있으며 공기를 순환시킬 수 있는 다양한 종류의 각종 팬을 포함한다.
한편, 도 2를 참조하면, 복수의 배터리 셀(110)들은 엔드플레이트(500)에 의해 보호될 수 있다. 엔드플레이트(500)는 상면 엔드플레이트(510)와, 하면 엔드플레이트(530)와, 측면 엔드플레이트(520)를 포함할 수 있으며, 복수의 배터리 셀(110)들은 상면 엔드플레이트(510)와, 하면 엔드플레이트(530)와, 측면 엔드플레이트(520)로 둘러싸여 지도록 구성될 수 있다. 그리고, 측면 엔드플레이트(520)에는 공기유입로(521)가 형성된다.
여기서, 도 7을 참조하면, 복수의 배터리 셀(110)들 사이에는 공기냉각플레이트(600)가 개재될 수 있다.
공기냉각플레이트(600)는 복수로 마련되며, 복수의 공기냉각플레이트(600)가 복수의 배터리 셀(110)들 사이에 각각 배치될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(110)들 사이사이마다 복수의 공기냉각플레이트(600)가 각각 배치된다.
여기서, 도 7을 참조하면, 공기냉각플레이트(600)의 내부는 유체가 흐를 수 있도록 중공(610)이 형성된다. 즉, 공기가 공기냉각플레이트(600) 내부의 중공(610)을 따라 이동하면서 공기냉각플레이트(600)에 접촉하고 있는 배터리 셀(110)들을 냉각시킨다. 이에 의해, 복수의 배터리 셀(110)들 각각 모두를 방열시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 공기냉각플레이트(600)는 배터리 셀(110)에 스웰링이 발생한 경우에도 변형되지 않도록 미리 설정된 강성을 가지도록 마련된다.
배터리 셀(110)은 충전과 방전 과정에 배터리 셀(110) 내부에 가스가 생성되어 배터리 셀(110)이 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생한다.
공기냉각플레이트(600)는 복수의 배터리 셀(110)들 사이사이마다 배치되므로, 만약, 공기냉각플레이트(600)의 강성이 약하다면 스웰링에 의해 배터리 셀(110)들이 부풀어 오르는 경우 공기냉각플레이트(600)가 가압되면서 변형되어 공기냉각플레이트(600) 내부에 형성된 중공(610)이 좁아지게 되며, 이에 의해 공기가 이동할 수 있는 통로가 좁아져 방열 효과가 감소될 수 있다.
따라서, 공기냉각플레이트(600)는 배터리 셀(110)의 스웰링 현상이 발생하더라도 형상이 변형되지 않도록 미리 설정된 범위의 강성을 가져야한다. 여기서, 공기냉각플레이트(600)의 강성의 범위는 실험적으로 결정될 수 있다.
한편, 배터리 셀(110)의 스웰링 현상이 발생하더라도 공기냉각플레이트(600)가 변형되지 않으면서 공기가 통과하는 중공(610)이 그대로 유지될 수 있도록 공기냉각플레이트(600)의 내부의 중공(610)에는 적어도 하나의 격벽(620)이 형성될 수 있다.
격벽(620)은 복수로 마련되어 등간격으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 등간격으로 배치된 격벽(620)에 의해 배터리 셀(110)의 스웰링 현상이 발생하더라도 공기냉각플레이트(600)의 중공(610)의 형상이 유지될 수 있으며, 이에 의해 배터리 셀(110)의 스웰링이 발생한 경우에도 냉각 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 공기냉각플레이트(600)는 열전도가 가능한 금속 재질로 마련될 수 있으며, 예를 들어 열전도도 뛰어난 알루미늄 재질로 마련될 수 있다. 다만, 공기냉각플레이트(600)의 재질이 알루미늄에 한정되는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 공기냉각플레이트(600)는 배터리 셀(110)의 한쪽면에만 접촉하고 있는데, 이는 배터리 셀 적층체(100)의 전체 높이를 고려한 것으로, 공기냉각플레이트(600)가 배터리 셀(110)의 양쪽면에 모두 접촉하도록 마련될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)와 공기냉각플레이트(600)의 중공(610)은 동일한 높이에 위치하도록 마련될 수 있다. 이 경우, 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)를 통해 유입된 공기는 공기냉각플레이트(600)의 중공(610)을 통해 이동하면서 배터리 셀(110)들을 냉각시키며, 공기냉각플레이트(600)로부터 공기순환덕트(300)로 이동 후 배기팬(400)을 통해 배출된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)에서 공기의 이동을 나타낸 도면이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 케이스(200)의 측면 커버(220) 중 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)가 위치한 부분에는 측면 커버(220)가 제거되어 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)가 외부에 노출되도록 마련될 수 있다.
여기서, 도 8을 참조하면, 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)와 공기냉각플레이트(600)의 중공(610)은 동일한 높이에 위치하도록 마련될 수 있다.
도 9를 참조하여, 배기팬(400)이 작동하면, 측면 엔드플레이트(520)의 공기유입로(521)를 통해 유입(도 9의 화살표 a 참조)된 공기가 공기냉각플레이트(600)의 중공(610)을 통해 이동하면서 배터리 셀(110)들을 냉각시키며, 공기냉각플레이트(600)로부터 공기순환덕트(300)의 구멍(310)을 통해 공기순환덕트(300)로 이동 후 배기팬(400)을 통해 배출(도 9의 화살표 d 참조)된다.
이때, 도 6을 참조하면, 공기순환덕트(300)의 구멍(310)들은 배기팬(400)에서 가장 가까운 구멍(310a)의 크기가 가장 작고, 배기팬(400)으로부터 멀어질수록 구멍(310)의 크기가 증가하여 배기팬(400)에서 가장 멀리 있는 구멍(310b)의 크기가 가장 크게 구성될 수 있으며, 이에 의해, 배기팬(400)으로부터 멀리 떨어진 부분에 위치한 배터리 셀(110)들도 충분히 냉각될 수 있다.
그리고, 도 1 및 도 2에서와 같이 상면 커버(210)에는 공기이동구(211)가 형성될 수 있으며, 공기이동구(211)를 통해 배터리 셀 적층체(100)측으로 이동(도 9의 화살표 b 참조)한 공기가 공기유입로(521)를 통과하고 공기냉각플레이트(600)의 중공(610)을 통해 이동하면서 배터리 셀(110)들을 냉각시키며 공기냉각플레이트(600)로부터 공기순환덕트(300)의 구멍(310)을 통해 공기순환덕트(300)로 이동(도 9의 화살표 c 참조) 후 배기팬(400)을 통해 배출(도 9의 화살표 d 참조)된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 전체적으로 이와 같은 구조에 의해 배터리 셀(110)들을 용이하게 냉각시킬 뿐만 아니라 배터리 셀(110)들간의 온도 차이를 최소화하여 기대 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(미도시)은, 전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(미도시)은, 이러한 배터리 모듈(10) 이외에, 이러한 배터리 모듈(10)을 수납하기 위한 하우징, 배터리 모듈(10)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(미도시)는 전술한 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(미도시)을 포함할 수 있으며, 상기 배터리 팩(미도시)에는 상기 배터리 모듈(10)이 포함될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 상기 자동차(미도시), 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 소정의 자동차(미도시)에 적용될 수 있다.
이상에서 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.
본 발명은 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 특히, 이차전지와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀들이 적층되는 배터리 셀 적층체;
    상기 배터리 셀 적층체가 수납되는 케이스;
    상기 배터리 셀 적층체들 사이에 배치되고 복수의 구멍들이 형성된 공기순환덕트;
    상기 공기순환덕트의 일측에 결합된 배기팬을 포함하며,
    상기 공기순환덕트의 상기 구멍들은 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 배터리 셀 적층체들은 적어도 2행과 적어도 2열로 배열되며,
    상기 공기순환덕트는 상기 복수의 배터리 셀 적층체들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기순환덕트의 상기 구멍은 상기 구멍들 중 상기 배기팬에서 가장 가까운 구멍의 크기가 가장 작고, 상기 배치팬으로부터 멀어질수록 구멍의 크기가 증가하도록 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    복수의 배터리 셀들은 상면 엔드플레이트와, 하면 엔드플레이트와, 측면 엔드플레이트로 둘러싸여져 있고, 상기 측면 엔드플레이트에는 공기유입로가 형성되어 있으며,
    상기 복수의 배터리 셀들 사이에는 내부에 공기가 흐를 수 있도록 중공이 형성된 공기냉각플레이트가 개재되어 있고,
    상기 측면 엔드플레이트의 상기 공기유입로와 상기 공기냉각플레이트의 중공은 동일한 높이에 위치하도록 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방열플레이트의 내부의 상기 중공에는 적어도 하나의 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 격벽은 복수로 마련되어 등간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 케이스는 상면 커버와, 측면 커버와, 하면 커버를 포함하며,
    상기 공기유입로가 위치한 부분에는 측면 커버가 제거되어 상기 공기유입로가 외부에 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상면 커버에는 공기이동구가 형성되며,
    상기 공기이동구를 통해 배터리 셀 적층체로 이동한 공기가 상기 공기유입로를 통과하여 상기 공기순환덕트로 이동하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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