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KR102173142B1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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KR102173142B1
KR102173142B1 KR1020160016530A KR20160016530A KR102173142B1 KR 102173142 B1 KR102173142 B1 KR 102173142B1 KR 1020160016530 A KR1020160016530 A KR 1020160016530A KR 20160016530 A KR20160016530 A KR 20160016530A KR 102173142 B1 KR102173142 B1 KR 102173142B1
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KR
South Korea
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insulating member
cooling fin
cooling
battery
battery cell
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KR1020160016530A
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KR20170095040A (ko
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홍승택
이성우
이승병
진수진
최승돈
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Publication date
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Abstract

본 발명은 내전압성이 향상된 배터리 모듈을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 냉각시키는 냉각 핀; 및 상기 배터리 셀과 상기 냉각 핀 사이에 개재된 제1절연부재를 포함한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module and battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내전압성이 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 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 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
최근 주목 받고 있는 전기자동차나 ESS는 고출력, 고용량을 요구하기 때문에, 다수의 배터리 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결한 배터리 모듈이 주로 사용된다. 이러한 배터리 모듈은, 다수의 배터리 셀을 조립하는 과정 또는 사용 중에 고전압에 노출될 수 있으므로 배터리 모듈의 내전압성을 확보할 필요가 있다.
특히, 배터리 모듈의 단자 사이에 고전압이 인가된 경우 뿐만 아니라 단자 외의 다른 부분에 고전압이 인가된 경우에도 누설전류가 흐르지 않도록 내전압성이 확보될 필요가 있다.
일반적으로 사용되는 파우치형 배터리 셀의 파우치 케이스는, 내부의 전극조립체를 보호 및 수용하기 위해, 파우치 케이스를 포함한다. 상기 파우치 케이스는, 절연성 확보 등을 위해 PET, Nylon 등과 같은 절연 재질로 구성된다. 그런데, 배터리 셀이 다수 직렬 연결되어 배터리 모듈을 구성할 경우, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀은 단일의 배터리 셀로 사용되는 경우보다 고전압에 노출될 우려가 많다. 이 경우, 파우치 케이스만으로는 절연성을 확보하기 어려워 파우치 케이스에 누설전류가 흐르게 될 수 있다.
절연성 확보를 위해, 파우치 케이스 자체의 구성 또는 재질을 변경할 수도 있으나, 파우치 케이스를 제조하는 데에는 절연성뿐만 아니라 케이싱을 위한 융착 정도 등을 고려해야 하므로, 파우치 케이스 자체의 구성 또는 재질을 변경하는 것은 쉬운 일이 아니다. 따라서, 기존에 사용되는 배터리 셀을 그대로 사용하면서도 높은 내전압성을 갖는 배터리 모듈에 대한 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 필요성에 대한 인식으로부터 창안된 것으로서, 내전압성이 향상된 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀 자체의 재질을 변경하지 않으면서 내전압성을 확보할 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 냉각시키는 냉각 핀; 및 상기 배터리 셀과 상기 냉각 핀 사이에 개재된 제1절연부재를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1절연부재는, 일면이 상기 배터리 셀과 접촉하고 타면이 상기 냉각 핀과 접촉하는 절연 시트일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 제1절연부재는, 절연 시트로서, 복수개가 구비될 수 있다. 이때, 복수개의 절연 시트는 서로 적층된 상태로 상기 배터리 셀과 상기 냉각 핀 사이에 개재될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 냉매가 흐를 수 있는 유로가 형성된 냉각 덕트; 및 상기 냉각 핀과 상기 냉각 덕트 사이에 개재되는 제2절연부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제2절연부재는, 일면이 냉각 덕트에 접하는 절연시트로서, 상기 절연시트의 타면은 냉각 핀의 일단부 접할 수 있다.
상기 냉각 핀의 일단부는 절곡되어 상기 절연시트의 타면과 상기 냉각 핀의 일단부는 면접할 수 있다.
상기 제2절연부재의 유전상수는, 2 ~ 8 일 수 있다.
상기 제2절연부재의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1절연부재의 유전상수는, 2 ~ 8 일 수 있다.
상기 제1절연부재의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 배터리 셀; 상기 배터리 셀을 냉각시키는 냉각 핀; 냉매가 흐를 수 있는 유로가 형성된 냉각 덕트; 및 상기 냉각 핀과 상기 냉각 덕트 사이에 개재되는 제2절연부재를 포함한다.
상기 제2절연부재는, 일면이 냉각 덕트에 접하는 절연시트로서, 상기 절연시트의 타면은 냉각 핀의 일단부 접할 수 있다.
상기 냉각 핀의 일단부는 절곡되어 상기 절연시트의 타면과 상기 냉각 핀의 일단부는 면접할 수 있다.
상기 제2절연부재의 유전상수는, 2 ~ 8 일 수 있다.
상기 제2절연부재의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상술한 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면 배터리 모듈에 절연부재를 구비함으로써 배터리 모듈의 내전압성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀 자체의 재질을 변경하지 않으면서도 배터리 모듈의 내전압성을 향상시킬 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2는, 배터리 셀과 냉각 핀 사이에 제1절연부재가 개재되지 않아 파우치 케이스와 냉각 핀이 직접 접촉한 상태에서 배터리 셀의 전극 리드와 냉각 핀 사이에 고전압을 인가하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은, 배터리 셀과 냉각 핀 사이에 제1절연부재가 개재되어 파우치 케이스와 냉각 핀이 제1절연부재를 매개로 접촉한 상태에서 배터리 셀의 전극 리드와 냉각 핀 사이에 고전압을 인가하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 2의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 3의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 냉각 핀과 제1절연부재를 나타낸 도면이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 냉각 핀(200), 제1절연부재(400)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 간접 냉각 방식에 의해 배터리 셀(100)을 냉각시킨다.
상기 배터리 셀(100)은, 충방전을 수행할 수 있는 단위 전지로서, 배터리 모듈(10)에 포함되는 배터리 셀(100)은 복수개일 수 있다. 도 1의 실시예에서, 배터리 모듈(10)을 구성하는 배터리 셀(100)의 개수가 8개인 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 배터리 셀(100)의 개수가 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 상기 배터리 셀(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 파우치형 배터리 셀(100)일 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀(100)은, 전극 조립체, 전해액, 전극 리드(110), 파우치 케이스(120)를 포함한다.
상기 전극 조립체는, 양극탭이 구비된 양극판, 음극탭이 구비된 음극판 및 세퍼레이터를 구비하는 단위 셀로 이루어지거나, 이러한 단위 셀의 집합체로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체는, 양극판, 세퍼레이터 및 음극판을 하나 이상 구비할 수 있다. 또한, 이러한 전극 조립체는, 단위 셀이 순차적으로 적층되거나, 적층 후 권취 또는 폴딩되는 등의 방법에 의해 집합체를 형성할 수 있다.
한편, 이러한 양극판과 음극판은 각각 전극 집전체에 활물질 슬러리가 도포된 구조로 형성될 수 있는데, 슬러리는 통상적으로 입상의 활물질, 보조도체, 바인더 및 가소제 등이 용매가 첨가된 상태에서 교반되어 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 양극판은 알루미늄(Al) 재질의 집전판에 양극 활물질이 도포되어 형성될 수 있고, 음극판은 구리(Cu) 재질의 집전판에 음극 활물질이 도포되어 형성될 수 있다. 또한 일 실시예에 따르면, 양극판 및 음극판 각각에 있어서 전극 활물질이 도포되지 않은 영역은 전극탭으로 기능할 수 있다. 즉, 상기 전극탭 중에서, 양극판 중 양극 활물질이 도포되지 않은 영역은 양극탭으로 기능할 수 있고, 음극판 중 음극 활물질이 도포되지 않은 영역은 음극탭으로 기능할 수 있다.
상기 세퍼레이터는, 양극판과 음극판 사이에 배치되어 상기 양극판과 상기 음극판 사이를 절연시키고, 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 활물질 이온이 교환될 수 있도록 한다. 상기 양극판 또는 음극판의 외측에 또 다른 세퍼레이터가 위치하여 전극 조립체의 권취시 양극판과 음극판 사이에 절연 상태가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 전해액은, 용매에 녹아 이온으로 해리하여 용액이나 용융상태로 전기를 통과시키는 물질로서, 전압이 가해지면 전하를 운반한다. 이러한 전해액이 상기 전극 조립체에 충분하고 균일하게 함침될 경우, 이차 전지는 본래의 기능을 제대로 발휘할 수 있다.
상기 전극 리드(110)는 얇은 판상의 금속으로서, 전극 조립체의 외측 방향으로 연장된다. 일 실시예에 따르면, 상기 전극 리드는, 전극 탭에 부착되어 전극 조립체의 외측 방향으로 연장될 수 있다. 이때, 상기 전극 리드(110)는 양극 탭에 부착되는 양극 리드 및 음극 탭에 부착되는 음극 리드로 구성된다. 한 쌍의 전극 리드(110)는 서로 동일한 방향으로 연장될 수도 있고, 도 1과 같이 서로 반대 방향으로 연장될 수도 있다.
상기 한 쌍의 전극 리드(110)는 재질이 서로 다를 수 있다. 즉, 상기 양극 리드는 양극 집전판과 동일한 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으며, 음극 리드는 음극 집전판과 동일한 구리 재질 또는 구리의 부식 방지를 위한 니켈(Ni)이 코팅된 구리 재질로 이루어질 수도 있다.
상기 파우치 케이스(120)는, 상기 전극 조립체가 수납되고, 전해액이 주입되는 공간을 제공할 수 있다. 파우치 케이스(120)는, 오목한 형태의 내부 공간을 구비하며, 이러한 내부 공간에 상기 전극 조립체와 전해액을 수용할 수 있다. 또한, 파우치 케이스(120)는, 전극 조립체의 수납을 용이하게 하기 위해, 상부 파우치와 하부 파우치로 구성될 수 있다. 이때, 상부 파우치 및 하부 파우치 중 어느 하나에만 전극 조립체를 수납하기 위한 오목한 형태의 공간이 구비될 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 파우치 및 하부 파우치 모두에 오목한 형태의 공간이 구비될 수도 있다. 상기 파우치 케이스(120)는, 상기 전극 조립체가 수용되는 부분이 어디에 존재하는지 등에 따라 싱글 캡 또는 더블 캡 등으로 지칭되기도 한다. 그리고, 상부 파우치와 하부 파우치는 상호 분리되어 있을 수도 있고, 한 변을 공유하여 서로 연결되어 있을 수도 있다.
이러한 파우치 케이스(120)는 내부로 주입된 전해액과 전극 조립체를 보호하고, 전지 셀의 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 알루미늄 박막이 개재된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상기 알루미늄 박막은, 전지 셀과 외부와의 절연성을 확보하기 위하여, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)수지 또는 나일론(nylon)수지 등의 절연물질로 코팅된 절연층이 외부에 형성될 수 있다.
상기 파우치 케이스(120)는 실링 공정에서 외주면 부분이 열융착 등에 의하여 접합 내지 접착될 수 있다. 이를 위해, 상부 파우치의 하면과 하부 파우치의 상면은 상호 간의 접착을 위하여 무연신 폴리프로필렌(Casted PolyPropylene, CPP) 또는 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP)에 의한 접착층이 형성될 수 있다. 이러한 접착층은 파우치 케이스(120)의 접착뿐만 아니라 알루미늄층과 파우치 케이스(120) 내부에 주입된 전해질 간의 도전을 방지하는 절연층의 역할도 한다.
상기 냉각 핀(200)은 배터리 셀(100)에 인접하게 배치되어 배터리 셀(100)을 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 핀(200)은, 열전도성이 높은 금속 재질로 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 냉각 핀(200)의 재질은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
상기 냉각 핀(200)은, 플레이트 형상을 가져 파우치형 배터리 셀(100)의 넓은 면을 커버하는 형태로 배터리 모듈(10)을 구성할 수 있다. 상기 냉각 핀(200)은, 후술할 냉각 덕트(300)와 직접 또는 간접적으로 접촉하여 냉각 덕트(300)의 냉기를 배터리 셀(100)로 전달하고, 배터리 셀(100)의 열기를 냉각 덕트(300)로 전달하는 역할을 한다.
상기 제1절연부재(400)는, 상기 배터리 셀(100)과 상기 냉각 핀(200) 사이에 개재될 수 있다. 상기 제1절연부재(400)는, 절연재질로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1절연부재(400)는 시트 형상인 것이 좋다. 즉, 상기 제1절연부재(400)는, 박막의 절연시트일 수 있다. 상기 제1절연부재(400)의 면적, 두께 등은 제한이 없으나, 제1절연부재(400)의 면적은, 배터리 셀(100)의 면적 보다 과도하게 크지 않도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1절연부재(400)의 두께는, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이의 이격거리와 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이의 열전도를 고려하여 설정되는 것이 좋다.
상기 제1절연부재(400)는, 상기 배터리 셀(100) 및 상기 냉각 핀(200)과 접촉하도록 구성된다. 상기 제1절연부재(400)가 절연시트인 경우, 상기 제1절연부재(400)는, 상기 배터리 셀(100) 및/또는 상기 냉각 핀(200)에 부착되거나 접착될 수 있다. 다시 말해, 상기 절연시트는, 상기 배터리 셀(100) 및 상기 냉각 핀(200) 중 적어도 하나에 부착되거나 접착될 수 있다. 또는, 상기 절연시트는, 상기 냉각 핀(200)에 코팅될 수도 있다. 한편, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이의 열전달은 주로 제1절연부재(400)를 매개로 한 열전도에 의해 이루어진다.
상기 제1절연부재(400)는, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이에 고전압이 인가될 경우 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이에 누설전류가 흐르는 것을 방지하거나 상기 누설전류의 크기를 감소시키기 위해 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1절연부재(400)의 유전상수(dielectric constant)는, 2 ~ 8 일 수 있다. 또한, 상기 제1절연부재(400)의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 냉각 덕트(300)를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 냉각 덕트(300)는, 냉각 핀(200)과 직접 또는 간접적으로 접촉하여 냉각 덕트(300)의 냉기를 배터리 셀(100)로 전달하고, 배터리 셀(100)의 열기를 냉각 덕트(300)로 전달하는 역할을 한다. 상기 냉각 덕트(300)는, 냉각 핀(200)과 원활하게 열전달을 수행하기 위해, 열전도성이 높은 금속 재질로 구성될 수 있다. 일 예로, 상기 냉각 덕트(300)의 재질은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다. 상기 냉각 덕트(300)의 내부에는, 냉매가 흐를 수 있는 유로(310)가 형성될 수 있다. 상기 냉각 덕트(300)의 내부 유로(310)에 흐르는 냉매는 유로(310)에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체로서, 종류에 특별한 제한은 없으며, 기체 또는 액체일 수 있다. 예를 들어, 상기 냉매는, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다. 그러나, 상기 냉매의 종류는 이것에 한정되지 않으며, 부동액, 가스 냉매, 공기 등일 수도 있다.
상기 냉각 덕트(300)의 단면은 도 1의 실시예와 같이 직사각형일 수 있다. 다만, 이는 일 예로서, 냉각 덕트(300)의 단면의 형상은 직사각형으로 한정되지 않으며, 원형, 타원형, 직사각형 이외의 다각형일 수 있다.
선택적으로, 상기 냉각 덕트(300)는, 냉각 핀(200)과 접촉한 상태로 냉각 핀(200)과 결합할 수 있다. 즉, 냉각 핀(200)은, 냉각 덕트(300)에 접촉한 상태로 냉각 덕트(300)에 고정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 냉각 핀(200)의 일단부는 절곡되어, 절곡된 냉각 핀(200)의 일단부가 냉각 덕트(300)에 면접하도록 구성될 수 있다. 냉각 핀(200)의 일단부가 냉각 덕트(300)에 면접하도록 구성되면, 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이의 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이의 결합이 용이하게 이루어질 수 있다. 이때, 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이의 결합은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 중 어느 하나의 일면에 접착제가 도포되어 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이의 결합이 이루어질 수도 있고, 볼트 등과 같은 결합부재를 통해 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이의 결합이 이루어질 수도 있다.
이하, 상기 제1절연부재가 개재되지 않은 경우와 상기 제1절연부재가 개재된 경우의 절연효과를 비교하여 설명하도록 한다.
도 2는, 배터리 셀과 냉각 핀 사이에 제1절연부재가 개재되지 않아 파우치 케이스와 냉각 핀이 직접 접촉한 상태에서 배터리 셀의 전극 리드와 냉각 핀 사이에 고전압을 인가하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은, 배터리 셀과 냉각 핀 사이에 제1절연부재가 개재되어 파우치 케이스와 냉각 핀이 제1절연부재를 매개로 접촉한 상태에서 배터리 셀의 전극 리드와 냉각 핀 사이에 고전압을 인가하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3에서는, 설명의 편의를 위해 하나의 배터리 셀과 냉각 핀 사이에 고전압이 인가된 경우를 가정하였다. 이때, 고전압은 고전압 테스터기(T)를 통해 인가된다.
한편, 배터리 셀(100) 및 냉각 핀(200)은 도 2의 실시예와 및 도 3의 실시예에서 서로 차이가 없고, 제1절연부재(400)가 개재되었는지 여부만 차이가 있다. 도 2 및 도 3의 실시예에서 배터리 셀(100)의 파우치 케이스(120)는, 3개의 층으로 구성되며, 3개의 층은 알루미늄층, PET층 및 Nylon층이다. 여기서, 알루미늄층은 도전체이고, PET층과 Nylon층은 절연체이다. 그리고, 도 3에 도시된 제1절연부재(400) 또한 절연체이다. 절연체인 PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)의 절연특성을 나타내는 파라미터는 아래의 표와 같다.
Figure 112016014243825-pat00001
상기 표에서 정전용량은 아래의 수학식으로부터 도출된다.
Figure 112016014243825-pat00002
여기서, C는 정전용량(F)이고, k는 유전상수이며, ε0는 진공 상태에서의 유전율(F/m)이고, A는 유전체의 면적(m2)이며, d는 유전체의 두께(m)이다. 그리고, 상기 정전용량을 계산함에 있어서, 상기 ε0는 9*10-12 (F/m)로 근사화되었다.
이러한 조건에서, 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200)에 고전압이 인가될 경우, 누설 전류는 다음과 같이 계산된다.
먼저, 도 2의 실시예의 경우 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이의 도체를 제외한 절연체는 PET층과 Nylon층이다. 따라서, 도 2의 실시예는 도 4와 같은 등가 회로로 표현될 수 있다.
도 4는, 도 2의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 2에서의 도체는 도선으로 변환되고, 절연체는 커패시터로 변환된 것을 확인할 수 있다. 여기서, 상기 PET층과 Nylon층이 각각 절연체이므로, PET층은 커패시터(Cp)로 표현되고, Nylon층도 커패시터(Cn)으로 표현될 수 있다. 그리고, PET층과 Nylon층은 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에서 서로 직렬 연결된 상태이므로, PET층과 Nylon층에 의한 합성 정전용량(C1)은 직렬 연결된 커패시터의 합성 정전용량을 계산하는 수학식에 따라 다음과 같이 계산된다.
Figure 112016014243825-pat00003
상기 수학식에서, Cp는 10.286nF이고, Cn은 9.6806nF 이므로, PET층과 Nylon층에 의한 합성 정전용량인 C1은 4.987nF의 값을 갖는다.
그리고, 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에 전압이 인가되었을 경우의 누설전류는 다음의 수학식에 따라 계산된다.
Figure 112016014243825-pat00004
여기서, Ileak는 누설전류(A)이고, C는 정전용량(F)이며, V는 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에 인가된 전압(V)이고, t는 시간(s)이다.
예를 들어, 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에 2700(V)의 고전압이 인가되었고, 2700(V)에 도달하기까지 0.13초가 소요된 경우, 절연체를 통한 누설전류는 상기 수학식에 따라 다음과 같이 계산된다. 여기서, 정전용량은 PET층과 Nylon층에 의한 합성 정전용량인 C1이다.
Ileak1 = (4.987*10-9)*(2700/0.13) = 0.103576mA
다음으로, 도 3의 실시예의 경우 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이의 도체를 제외한 절연체는 PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)이다. 따라서, 도 3의 실시예는 도 5와 같은 등가 회로로 표현될 수 있다.
도 5는, 도 3의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 3에서의 도체는 도선으로 변환되고, 절연체를 커패시터로 변환된 것을 확인할 수 있다. 여기서, 상기 PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)가 각각 절연체이므로, PET층은 커패시터(Cp)로 표현되고, Nylon층도 커패시터(Cn)로 표현되며, 제1절연부재(400)도 커패시터(Cd1)로 표현될 수 있다. 그리고, PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)는 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에서 직렬 연결된 상태이므로, PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)에 의한 합성 정전용량(C2)은 직렬 연결된 커패시터의 합성 정전용량을 계산하는 수학식에 따라 다음과 같이 계산된다.
Figure 112016014243825-pat00005
상기 수학식에서, Cp는 10.286nF이고, Cn은 9.6806nF 이며, Cd1은 2.4685nF 이므로, PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)에 의한 합성 정전용량인 C2는 1.6512nF의 값을 갖는다.
그리고, 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에 전압이 인가되었을 경우의 누설전류는 다음의 수학식에 따라 계산된다.
Figure 112016014243825-pat00006
여기서, Ileak는 누설전류(A)이고, C는 정전용량(F)이며, V는 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(200) 사이에 인가된 전압(V)이고, t는 시간(s)이다.
상술한 조건과 마찬가지로, 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 냉각 핀(300) 사이에 2700(V)의 고전압이 인가되었고, 2700(V)에 도달하기까지 0.13초가 소요된 경우, 절연체를 통한 누설전류는 상기 수학식에 따라 다음과 같이 계산된다. 여기서, 정전용량은 PET층, Nylon층 및 제1절연부재(400)에 의한 합성 정전용량인 C2이다.
Ileak2 = (1.6512*10-9)*(2700/0.13) = 0.034294mA
즉, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이에 제1절연부재(400)가 개재되지 않은 경우의 누설전류인 Ileak1 은 0.103576mA이고, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이에 제1절연부재(400)가 개재된 경우의 누설전류인 Ileak2 는 0.034294mA로서, 제1절연부재(400)가 개재됨에 따라 누설전류가 상당히 감소하게 된다. 파우치 케이스(120) 자체의 재질, 두께 등을 조절하는 것은 쉽지 않다는 점을 고려할 때, 배터리 셀(100)과 냉각 핀(200) 사이에 제1절연부재(400)를 개재시킴으로써 내전압성을 향상시킬 수 있다. 또한, 통상의 기술자는 파우치 케이스(120)의 절연특성, 요구되는 내전압성(허용되는 누설 전류의 크기) 등을 고려하여 제1절연부재(400)의 재질 및 두께 등을 적절히 선택할 수 있을 것이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 구성하는 냉각 핀과 제1절연부재를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1절연부재(400)는, 복수개로 구성되며, 복수개의 제1절연부재(400a, 400b, 400c)는 모두 절연시트이다. 상기 절연시트(400a, 400b, 400c)는 일방향으로 적층되며, 최외곽에 배치되는 두 개의 절연시트(400a, 400c) 중 하나의 절연시트(400c)의 일면은 배터리 셀(100)과 접촉하고, 나머지 하나의 절연시트(400a)의 일면은 냉각 핀(200)과 접촉하도록 구성된다.
상기 절연시트들(400a, 400b, 400c)은 동일한 재질로 구성될 수도 있으며, 서로 다른 재질로 구성될 수도 있다. 상기 제1절연부재들(400a, 400b, 400c)은 적층됨으로써, 커패시터가 직렬 연결된 것으로 모델링될 수 있다. 따라서, 상기 제1절연부재들(400a, 400b, 400c)은 배터리 모듈(10)에 요구되는 내전압성을 확보할 수 있도록 적절하게 적층될 수 있다. 이때, 제1절연부재들(400a, 400b, 400c)은 배터리 모듈(10)에 요구되는 내전압성을 확보하기 위해 재질을 서로 달리하거나, 두께를 서로 달리할 수도 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 냉각 핀(200), 냉각 덕트(300) 및 제1절연부재(400)를 포함하며, 제2절연부재(500)를 더 포함한다. 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 제2절연부재(500)를 더 포함하는 것 외에는 도 1에 도시된 실시예와 차이가 없으므로, 반복된 설명은 생략하도록 한다.
상기 제2절연부재(500)는, 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이에 개재될 수 있다. 상기 제2절연부재(500)는, 전술한 제1절연부재(400)와 마찬가지로 절연재질로 구성될 수 있으며, 시트 형상인 것이 좋다. 또한, 상기 제2절연부재(500)의 면적, 두께 등에는 제한이 없으나, 제2절연부재(500)의 규격은 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이에 개재될 수 있고, 열전도가 용이하게 이루어질 수 있을 정도의 규격으로 설정되는 것이 좋다.
상기 제2절연부재(500)는, 상기 냉각 핀(200) 및 상기 냉각 덕트(300)와 접촉하도록 구성된다. 상기 제2절연부재(500)가 시트 형상인 경우, 상기 제2절연부재(500)의 일면은 냉각 덕트(300)에 접하고, 상기 제2절연부재(500)의 타면은 냉각 핀(200)의 일단부에 접할 수 있다. 이때, 상기 냉각 핀(200)의 일단부는 절곡되어 절곡된 일단부가 제2절연부재(500)의 타면에 접하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 냉각 핀(200)의 절곡된 일단부는 제2절연부재(500)의 타면에 면접하게 된다. 또한, 상기 제2절연부재(500)는, 상기 냉각 핀(200) 및/또는 상기 냉각 덕트(300)에 부착되거나 접착될 수 있다. 다시 말해, 상기 제2절연부재(500)는, 상기 냉각 핀(200) 및 상기 냉각 덕트(300) 중 적어도 하나에 부착되거나 접착될 수 있다. 한편, 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이의 열전달은 주로 제2절연부재(500)를 매개로 한 열전도에 의해 이루어진다.
상기 제2절연부재(500)는, 전술한 제1절연부재(400)와 유사하게, 배터리 셀(100)과 냉각 덕트(300) 사이에 고전압이 인가될 경우, 배터리 셀(100)과 냉각 덕트(300) 사이에 누설전류가 흐르는 것을 방지하거나 상기 누설전류의 크기를 감소시키기 위해 제공될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제2절연부재(500)는, 배터리 셀(100), 냉각 핀(200) 및 냉각 덕트(300)를 통해 누설전류가 흐르는 것을 방지하거나 누설전류의 크기를 감소시키기 위해 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2절연부재(500)의 유전상수는, 2 ~ 8 일 수 있다. 또한, 상기 제2절연부재(500)의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제2절연부재(500)의 재질 및/또는 절연 특성은 제1절연부재(400)와 같을 수도 있고, 다르게 구성될 수도 있다.
제1절연부재(400)와 마찬가지로 냉각 핀(200)과 냉각 덕트(300) 사이에 개재되는 제2절연부재(500) 또한 제1절연부재(400)와 마찬가지의 효과를 발휘한다. 즉, 제2절연부재(500)는, 제1절연부재(400)와 마찬가지로 직렬 연결된 유전체로 모델링될 수 있다. 상기 제2절연부재(500)는 제1절연부재(400)와 함께 누설전류를 억제하는 역할을 한다. 또한, 상기 제2절연부재(500)는 제1절연부재(400)의 재질 선택에 대한 제약이나, 두께를 설정함에 있어서 제약이 있을 경우 제1절연부재(400)의 역할을 보완하는 용도로 사용될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 제1절연부재(400)가 단독으로 적용되거나, 제1절연부재(400) 및 제2절연부재(500)가 함께 사용되는 실시예에 대해 설명하였으나, 제2절연부재(500)만 사용되는 실시예도 가능하다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 상기 배터리 모듈은, 자동차의 전장품에 전력을 공급하거나, 자동차에 구동력을 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 배터리 모듈 100: 배터리 셀
110: 전극 리드 120: 파우치 케이스
200: 냉각 핀 300: 냉각 덕트
310: 유로 400: 제1절연부재
500: 제2절연부재

Claims (9)

  1. 알루미늄 박막과 상기 알루미늄 박막 외부에 형성된 절연층을 구비한 파우치 케이스를 포함하는 복수개의 배터리 셀;
    상기 복수개의 배터리 셀 각각에 배치되고 상기 배터리 셀을 커버하는 형태를 가지며 금속 재질로 구성되고 상기 배터리 셀을 냉각시키는 복수개의 냉각 핀;
    각각이 상기 배터리 셀과 상기 냉각 핀 사이에 개재된 복수개의 제1절연부재;
    냉매가 흐를 수 있는 유로가 형성되고 금속 재질로 구성된 냉각 덕트; 및
    상기 냉각 핀과 상기 냉각 덕트 사이에 개재되는 제2절연부재를 포함하고,
    상기 제1절연부재는, 일면이 상기 배터리 셀과 접촉하고 타면이 상기 냉각 핀과 접촉하는 절연 시트이며,
    상기 제2절연부재는, 일면이 상기 냉각 덕트에 접하고 타면이 상기 냉각 핀의 일단부와 접하는 절연 시트인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연부재는, 절연 시트로서, 복수개가 구비되어 상기 배터리 셀과 상기 냉각 핀 사이에 적층된 상태로 개재된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 핀의 일단부는 절곡되어 상기 제2 절연부재의 절연 시트의 타면과 상기 냉각 핀의 일단부는 면접하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2절연부재의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연부재의 재질은, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화마그네슘 및 탄화규소로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항, 제3항, 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
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