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KR20190123923A - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 Download PDF

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KR20190123923A
KR20190123923A KR1020180047843A KR20180047843A KR20190123923A KR 20190123923 A KR20190123923 A KR 20190123923A KR 1020180047843 A KR1020180047843 A KR 1020180047843A KR 20180047843 A KR20180047843 A KR 20180047843A KR 20190123923 A KR20190123923 A KR 20190123923A
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battery
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battery module
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조용진
박준규
성준엽
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리 셀들 및 복수 개의 배터리 셀들을 수용하며, 소정 높이로 내부에 절연유가 채워지는 모듈 케이스를 포함하며, 절연유는, 모듈 케이스 내에서 배터리 셀들의 전체 부피를 커버하는 양으로 채워지며, 모듈 케이스의 일측 내벽과 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
이러한 종래 배터리 모듈의 경우, 전체적인 성능이나 수명 측면에서 배터리 모듈의 냉각이 특히 중요하다. 종래 배터리 모듈에서, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀들의 냉각은, 일반적으로 엣지 쿨링 방식으로서, 배터리 셀들의 단부 측에 열전달 경로 등을 마련하여 수행되었다.
그러나, 종래 엣지 쿨링 방식의 경우, 어느 하나의 배터리 셀 또는 복수 개의 배터리 셀들 사이에 냉각 온도 편차가 발생하는 문제가 있다. 이러한 냉각 온도 편차는 전체 배터리 모듈의 성능을 저하시키거나 또는 배터리 모듈의 수명을 저하시키는 주요한 인자로 작용하게 된다.
그러므로, 배터리 모듈의 냉각 시 배터리 셀들의 냉각 온도 편차를 개선할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 배터리 모듈의 냉각 시 배터리 셀들의 냉각 온도 편차를 개선할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 복수 개의 배터리 셀들; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하며, 소정 높이로 내부에 절연유가 채워지는 모듈 케이스;를 포함하며, 상기 절연유는, 상기 모듈 케이스 내에서 상기 배터리 셀들의 전체 부피를 커버하는 양으로 채워지며, 상기 모듈 케이스의 일측 내벽과 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 배터리 모듈은, 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되며, 마주 하는 배터리 셀들을 소정 거리 이격시키는 복수 개의 유로 가이드 부재;를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재는, 마주 하는 배터리 셀들 사이에 격자 형태의 냉각 유로를 형성할 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재는, 마주 하는 배터리 셀들 사이에 상기 모듈 케이스의 높이 방향을 따라 소정 길이를 갖는 적어도 하나의 냉각 유로를 형성할 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향에서 지그 재그 형태로 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재는, 탄성 패드로 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재는, 표면에 양면 테이프가 구비되어 마주 하는 배터리 셀들에 각각 부착될 수 있다.
상기 절연유는, 상기 모듈 케이스의 상측 내벽과 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 배터리 모듈의 냉각 시 배터리 셀들의 냉각 온도 편차를 개선할 수 있는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 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 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 유로 가이드 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 배터리 모듈의 다른 실시예에 따른 유로 가이드 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 배터리 모듈의 절연유 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 2 및 도 3은 도 1의 배터리 모듈의 유로 가이드 부재를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 1의 배터리 모듈의 다른 실시예에 따른 유로 가이드 부재를 설명하기 위한 도면이며, 도 5 및 도 6은 도 1의 배터리 모듈의 절연유 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(10)은, 배터리 셀(100), 모듈 케이스(200), 절연유(300), 버스바 유닛(400) 및 유로 가이드 부재(500)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은, 이차 전지로서, 파우치형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이외에도, 상기 배터리 셀(100)은 원통형 이차 전지 또는 각형 이차 전지로 마련되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이하, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀(100)이 파우치형 이차 전지로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
이러한 상기 배터리 셀(100)은, 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 상호 전기적으로 연결될 수 있게 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은 후술하는 버스바 유닛(400)을 통해 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은, 각각, 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 연결되는 전극 리드(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 패키징할 수 있다. 이를 위해, 상기 모듈 케이스(200)에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용할 수 있는 수용 공간이 마련될 수 있다.
이러한 상기 모듈 케이스(200)는, 효과적인 열 배출을 위해 높은 열 전도도를 갖는 금속 재질로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 모듈 케이스(200)는 알루미늄 재질로 마련될 수 있다.
아울러, 상기 모듈 케이스(200)의 내부에는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 냉각을 위한 후술하는 절연유(300)가 소정 높이로 채워질 수 있다.
상기 모듈 케이스(200)는, 케이스 본체(220) 및 케이스 커버(260)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 본체(220)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 및 상기 배터리 모듈(10)을 구성하는 각종 구성 부품 등을 수용할 수 있다. 이러한 상기 케이스 본체(220)에는 후술하는 절연유(300)가 채워질 수 있다.
상기 케이스 커버(260)는 상기 케이스 본체(220)와 결합되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 패키징할 수 있다. 여기서, 상기 케이스 커버(260)는 상기 케이스 본체(220)와 레이저 용접 등을 통해 결합될 수 있다.
상기 절연유(300)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각을 위한 것으로서, 상기 모듈 케이스(200)의 상기 케이스 본체(220) 내에서 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전체 부피를 커버하는 양으로 상기 케이스 본체(220)에 채워질 수 있다.
이러한 상기 절연유(300)는, 높은 열용량을 갖는 액상 물질로 구비될 수 있다. 예로서, 상기 절연유(300)는, 석유계 절연유, 실리콘유, 염소화유 등의 합성 절연유 또는 식물성 절연유로 구비될 수 있다.
상기 절연유(300)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전체 면적을 감싸도록 채워지므로, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 거의 모든 면에 맞닿을 수 있다. 본 실시예의 경우, 이러한 복수 개의 배터리 셀들(100)의 거의 모든 면에 맞닿는 절연유(300)를 통해 배터리 셀들(100)의 특정 부분에서의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 절연유(300)는, 상기 모듈 케이스(200)의 일측 내벽, 구체적으로 상기 모듈 케이스(200)의 상기 케이스 커버(260)의 상측 내벽과 소정 거리 이격 배치될 수 있다. 이는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 발열에 의한 온도 상승 시 상기 절연유(300)가 팽창에 따른 상기 모듈 케이스(200)의 구조적 안정성 저하를 방지하기 위함이다.
상기 버스바 유닛(400)은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전압 등을 측정하기 위한 것으로서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 적어도 일측을 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전극 리드들(150)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 유로 가이드 부재(500)는, 상기 절연유(300)의 유동을 가이드하기 위한 것으로서, 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이에 배치되며, 마주 하는 배터리 셀들(100)을 소정 거리 이격시킬 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은, 소정의 탄성을 갖는 탄성 패드로 구비되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전지 케이스에 접착제 등을 통해 부착될 수 있다. 예로써, 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은, 소정의 탄성을 갖는 실리콘 패드로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은 소정의 탄성을 갖는 기타 상용화되거나 또는 상용화 예정인 다른 재질의 탄성 패드로 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은 양쪽 표면에 양면 테이프가 구비되어 마주 하는 배터리 셀들(100)의 전지 케이스들에 각각 부착될 수도 있으며, 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500) 자체가 소정 두께를 갖는 양면 테이프로 구비되어 마주 하는 배터리 셀들(100)의 전지 케이스들에 각각 부착되는 것도 가능할 수 있다.
상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은, 마주 하는 배터리 셀들(100) 사이에 격자 형태의 냉각 유로(550)를 형성할 수 있다. 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 적층 방향(X축 방향)에서 지그 재그 형태로 배치될 수 있다.
이러한 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)을 통해, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이 공간에 일정 간격을 두고 상기 냉각 유로(550)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 발열 시 가열되는 상기 절연유(300)가 대류에 의한 상측 이동이 원활할 수 있으며, 전체 배터리 셀들(100) 사이에서의 열교환 또한 보다 균일하게 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 발열 시 최외곽에 배치되는 배터리 셀들(100)과 중앙 부근에 배치되는 배터리 셀들(100) 사이의 냉각 온도 편차가 거의 발생되지 않을 수 있다.
이러한 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)의 형상 및 배치는 이에 한정되지 않으며, 도 4에 개시된 바와 같이, 복수 개의 유로 가이드 부재들(505)는 마주 하는 배터리 셀들(100) 사이에 상기 모듈 케이스(200)의 높이 방향(Z축 방향)을 따라 소정 길이를 갖는 적어도 하나의 냉각 유로(555)를 형성하게끔 할 수도 있다.
즉, 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들은 상기 절연유(300)의 대류에 따른 원활한 유동을 가이드하고, 전체 배터리 셀들(100)의 냉각 온도 편차를 줄일 수 있다면 기타 다른 형태의 냉각 유로를 형성할 수 있는 형상 및 배치도 가질 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 모두를 둘러싸게끔 배치되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 거의 모든 면에 맞닿아 있는 상기 절연유(300) 및 상기 절연유(300)의 유동을 가이드하는 상기 복수 개의 유로 가이드 부재들(500)을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각 시 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각 온도 편차를 현저히 줄일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 이러한 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상기 냉각 온도 편차 개선에 따라 상기 배터리 모듈(10)의 전체 성능 및 수명을 확보할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 배터리 팩(1)은, 앞선 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈(10) 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(10)을 패키징하는 팩 케이스(50)를 포함할 수 있다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은 자동차(V)의 연료원으로써, 자동차(V)에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차(V)에 구비될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차(V) 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(1)과 상기 자동차(V)와 같은 상기 배터리 팩(1)을 구비하는 장치나 기구 및 설비는 전술한 상기 배터리 모듈(10) 을 포함하는 바, 전술한 배터리 모듈(10)로 인한 장점을 모두 갖는 배터리 팩(1) 및 이러한 배터리 팩(1)을 구비하는 자동차(V) 등의 장치나 기구 및 설비 등을 구현할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 상기 배터리 모듈(10)의 냉각 시 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 온도 편차를 개선할 수 있는 상기 배터리 모듈(10), 이러한 상기 배터리 모듈(10)을 포함하는 상기 배터리 팩(1) 및 이러한 상기 배터리 팩(1)을 포함하는 자동차(V)를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 배터리 팩
10: 배터리 모듈
50: 팩 케이스
100: 배터리 셀
150: 전극 리드
200: 모듈 케이스
220: 케이스 본체
260: 케이스 커버
300: 절연유
400: 버스바 유닛
500: 유로 가이드 부재
505: 유도 가이드 부재
550: 냉각 유로
555: 냉각 유로

Claims (10)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    복수 개의 배터리 셀들; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용하며, 소정 높이로 내부에 절연유가 채워지는 모듈 케이스;를 포함하며,
    상기 절연유는,
    상기 모듈 케이스 내에서 상기 배터리 셀들의 전체 부피를 커버하는 양으로 채워지며, 상기 모듈 케이스의 일측 내벽과 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되며, 마주 하는 배터리 셀들을 소정 거리 이격시키는 복수 개의 유로 가이드 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유로 가이드 부재는,
    마주 하는 배터리 셀들 사이에 격자 형태의 냉각 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유로 가이드 부재는,
    마주 하는 배터리 셀들 사이에 상기 모듈 케이스의 높이 방향을 따라 소정 길이를 갖는 적어도 하나의 냉각 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유로 가이드 부재는,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 적층 방향에서 지그 재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 유로 가이드 부재는,
    탄성 패드로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 유로 가이드 부재는,
    표면에 양면 테이프가 구비되어 마주 하는 배터리 셀들에 각각 부착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연유는,
    상기 모듈 케이스의 상측 내벽과 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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