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KR20220160268A - 배터리 모듈의 설계 방법 - Google Patents

배터리 모듈의 설계 방법 Download PDF

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KR20220160268A
KR20220160268A KR1020210068254A KR20210068254A KR20220160268A KR 20220160268 A KR20220160268 A KR 20220160268A KR 1020210068254 A KR1020210068254 A KR 1020210068254A KR 20210068254 A KR20210068254 A KR 20210068254A KR 20220160268 A KR20220160268 A KR 20220160268A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery module
design
battery
module
equation
Prior art date
Application number
KR1020210068254A
Other languages
English (en)
Inventor
이서로
전해룡
최양규
Original Assignee
에스케이온 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이온 주식회사 filed Critical 에스케이온 주식회사
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Priority to US17/825,828 priority patent/US20220384874A1/en
Priority to EP22175681.0A priority patent/EP4095987A3/en
Priority to CN202210593299.0A priority patent/CN115411338A/zh
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Abstract

본 발명은 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 상기 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 a) 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면을 설계 벽면으로 설정하고, 상기 설계 벽면과 적층체 사이의 영역을 설계 공간으로 설정하는 단계; 및 b) 상기 설계 공간의 형태를 A0의 면적 및 T0의 두께를 갖는 막 형태로 가정하고 식 1을 만족하는 설계 공간의 비유전율(εr)을 산출하는 단계;를 포함한다.
(식 1)
εrε0A0/T1 ≤ PCy
식 1에서, T1은 0.8T0 내지 1.0T0이며, Cy는 설계값으로, 배터리 모듈의 Y-캐패시턴스(Y-capacitance) 값이며, P는 1미만의 실수이며, ε0는 진공의 유전율이다.

Description

배터리 모듈의 설계 방법{Method for Designing Battery Module}
본 발명은 배터리 모듈의 설계 방법에 관한 것으로, 상세하게, 향상된 신뢰성 및 사용 안전성을 갖는 배터리 모듈의 설계 방법에 관한 것이다.
화석 에너지를 사용하지 않고 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 차량용 배터리 모듈은 기본적으로 높은 용량과 긴 수명이 요구될 뿐만 아니라, 물리적 충돌이나 침수, 연소시등 다양한 열악 환경에서 안정성이 입증되어야 한다.
배터리가 자동차에 장착될 경우 자동차의 샤시 그라운드(Chassis ground)와 배터리 모듈의 ± 터미널 사이, 즉, 배터리 모듈의 모듈 전압과 샤시 그라운드 사이에는 용량 성분(Y-capacitance, 이하 Y-cap)과 누설저항 성분이 존재한다. 누설저항 성분은 배터리와 샤시 그라운드간의 절연성에 의해 결정되어, 용이 제어 가능하다. 그러나, 배터리 모듈과 샤시 그라운드간의 용량 커플링인 Y-cap은 차량제작 시 작업자, 혹은 충전중인 운전자에 정전기, 스파크를 유발하여 치명적인 감전 피해를 야기할 수 있고, 차량 내부의 신호에 노이즈를 유발하여 오작동의 원인이 되고 있으나, Y-cap이 매우 다양한 요인에 의해 영향을 받아 그 제어가 용이하지 않으며, 배터리 모듈의 열 제어에 대한 연구(중국 특허 제109449347호)가 주로 이루어질 뿐 Y-cap을 목적하는 수준 이하로 제어하고자 하는 연구는 미비한 실정이다.
중국 특허 제109449347호
본 발명의 목적은 목표 값 내지 그 이하로 Y-Cap을 제어할 수 있는 배터리 모듈의 설계 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 목표 값 내지 그 이하로 Y-Cap을 제어할 수 있으면서 동시에 다양한 모듈 구조에서 안정적인 방열 특성을 확보할 수 있는 배터리 모듈의 설계 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 목표 값 내지 그 이하로 제어된 Y-Cap을 갖는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제어된 Y-Cap을 가지며 안정적인 방열 특성을 갖는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 상기 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법으로, a) 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면을 설계 벽면으로 설정하고, 상기 설계 벽면과 적층체 사이의 영역을 설계 공간으로 설정하는 단계; 및 b) 상기 설계 공간의 형태를 A0의 면적 및 T0의 두께를 갖는 막 형태로 가정하고 식 1을 만족하는 설계 공간의 비유전율(εr)을 산출하는 단계;를 포함한다.
(식 1)
εrε0A0/T0 ≤ PCy
식 1에서, Cy는 설계값으로, 배터리 모듈의 Y-캐패시턴스(Y-capacitance) 값이며, P는 1미만의 실수이며, ε0는 진공의 유전율이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에 있어, 상기 P는 0.50 내지 0.95일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에 있어, 상기 b) 단계에서 식 1을 만족하는, 1kHz 내지 1MHz의 교류에서의 비유전율이 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에 있어, 상기 배터리 셀의 적층 방향은 상기 설계 벽면의 면내 방향이며, 상기 a) 단계에서 상기 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면이 설계 벽면과 동시에 냉각 벽면으로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에 있어, a) 단계 후, b) 단계 전, i) 설계 공간의 형태를 일정 두께(T1)와 일정 면적(A0)의 막 형태로 가정하여, 설계 공간의 열전도율 및 설계 공간과 적층체간의 접촉면적에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 하기 식 2를 만족하는 제1열전도율을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
(식 2)
Rth(0.33) ≤ 1.3 Rth(1)
식 2에서 Rth(0.33)은 접촉 면적이 0.33A0일 때 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(1)은 접촉 면적이 1A0일 때 배터리 모듈의 열저항이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에 있어, i) 단계 후, ii) 설계 공간의 형태를 일정 면적(A0)의 막 형태로 가정하고, 상기 제1열전도율의 값 및 막 두께(T2)에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 하기 식 3을 만족하는 막의 두께(Tc);를 더 포함할 수 있다.
(식 3)
Rth(t)≤ Rth(Lim)
식 3에서 Rth(t)는 막의 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(Lim)은 설계값으로 배터리 모듈의 열저항이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에 있어, 상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 상기 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈로, 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면인 최하부면과 상기 최하부면과 상기 적층체 사이에 열전도성과 절연성능을 갖는 중간층이 위치하며, 상기 중간층의 비유전율은 1kHz 내지 1MHz 및 1 내지 2V 교류 기준 9 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 최하부면은 냉각면이며, 상기 배터리 셀의 적층 방향은 상기 최하부면의 면내 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 중간층의 열전도율은 0.5W/mK 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 중간층의 열전도율은 1.0W/mK 내지 3.0W/mK일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 중간층의 두께는 0.3 내지 3.0mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 중간층의 두께는 0.3 내지 1.0mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 중간층은 단층 또는 다층구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 중간층은 하기 물성 중 하나 이상을 더 만족할 수 있다.
a) 절연파괴전압 ≥ 5kV/mm
b) 전단 강도 ≥ 5MPa
c) 최하부면과의 결착력 ≥ 1000fg/10mm
d) 체적 저항 ≥ 1011Ω·cm
e) 경도 ≤ 쇼어(Shore) D 75
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 설계된 Y-cap을 만족하는 배터리 모듈이 구현될 수 있는 설계 방법을 제공함에 따라, 작업자나 사용자에게 발생하는 정전기, 스파크, 감전사고등을 방지할 수 있으며, BMS(battery management system) 신호 사이의 교란이 방지되어 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 설계된 Y-cap을 만족하면서도 배터리 모듈의 구조가 변경되어도 구체 구조와 실질적으로 무관하게 안정적인 방열 특성을 갖는 배터리 모듈이 구현될 수 있다.
도 1은 발명의 일 설계 방법에 따른 설계 공간을 도시한 배터리 모듈의 일 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 설계 방법에 따라 설계 공간의 열전도율이 산출되는 과정을 도시한 일 예이며,
도 3은 본 발명의 일 설계 방법에서, 복수개 배터리 셀 적층체의 열분포를 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 설계 방법에 따라 설계 공간의 두께가 산출되는 과정을 도시한 일 예이며,
도 5는 본 발명의 일 설계 방법에 따라 설계 공간의 비유전율(유전상수)과 두께에 따른 배터리 모듈의 Y-cap을 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 모듈의 설계 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 출원인은 다수개의 배터리 셀이 모듈 케이스의 내부 공간에 수용되는 배터리 모듈에서, 다양한 모듈 사이즈, 다양한 셀 사이즈 및 다양한 모듈 구성등과 같이 전체적인 모듈의 크기와 형태, 구조에 관련된 제1군의 요소, 배터리 셀, 코팅층, 절연층, 접착층, 방열층, 고정을 위한 패드, 에어갭, 버스바, 보호 커버등과 같이 모듈을 이루는 세부 부재들과 관련된 제2군의 요소, 제2군의 요소별 물성(유전율, 두께, 압축률, 열전도율등 제2군 요소의 요소별 재질에 따른 물성)에 관련된 제3군의 요소, 및 모듈 완제품이 얻어지기까지 수행되는 공정중 세부 부재간 접촉 면적의 변화, 수축율, 팽창율등과 같은 제2군의 요소별 및/또는 제2군의 요소간 공정에 따라 변화되는 물성와 관련된 제4군의 요소로 분류하여 Y-cap에 영향을 미치는 수십여가지 인자를 추출하고 이들을 변화시키며 배터리 모듈의 Y-cap 변화를 추적한 결과, 상업 배터리 모듈로 구현 가능한 현실적인 모듈 구조에서, 모듈이 하부 냉각 구조를 가질 때, 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면과 배터리 셀 사이의 영역인 LWR 영역이 배터리 모듈의 Y-cap에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였으며, 배터리 모듈의 Y-cap에서 이 LWR 영역에서의 캐패시턴스가 차지하는 비율이 최소 65% 이상에서 최대 95%에까지 이름을 확인하였다.
이러한 발견을 기반으로, 배터리 모듈의 Y-cap이 설계값을 만족하도록 LWR 영역의 캐패시턴스를 산출하고, 산출된 캐패시턴스값을 갖는 부재가 LWR 영역에 구비된 실 배터리 모듈에서 Y-cap을 측정한 결과, 예측과 같이 모듈의 Y-cap이 설계치를 만족함을 확인하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 이때, Y-cap의 설계값(후술하는 식 1의 Cy)은 설계에 의해 허용 가능한 최대 Y-캐패시턴스 값을 의미함은 물론이며, 배터리 모듈의 Y-cap이 Cy 이하일 때 설계치를 만족하는 것으로 해석할 수 있음은 물론이다.
상술한 발견에 기반한 본 발명에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은, 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법으로, a) 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면을 설계 벽면으로 설정하고, 상기 설계 벽면과 적층체 사이의 영역을 설계 공간으로 설정하는 단계; 및 b) 상기 설계 공간의 형태를 A0의 면적 및 T0의 두께를 갖는 막 형태로 가정하고 식 1을 만족하는 설계 공간의 비유전율(εr)을 산출하는 단계;를 포함한다.
(식 1)
εrε0A0/T0 ≤ PCy
식 1에서, Cy는 설계값으로, 배터리 모듈의 Y-캐패시턴스(Y-capacitance) 값이며, P는 1미만의 실수이며, ε0는 진공의 유전율이다. Cy는 배터리 모듈의 크기나 용도를 고려하여 설계된 값일 수 있으며, 일 구체예로 Cy는 1 내지 30nF 수준, 구체적으로 1 내지 10nF 수준일 수 있으며, 실질적인 일 예로, Cy는 30nF, 25nF, 20nF, 15nF, 10nF, 5nF, 4nF, 3nF, 2nF 또는 1nF일 수 있다. 설계하고자 하는 배터리 모듈의 구체 디멘젼과 실질적으로 무관하게 안정적으로 Y-캐패시턴스가 설계값 이하로 제어될 수 있도록, 식 1의 Cy는 배터리 모듈의 모듈 케이스 최하부면의 면적 당 Y-캐패시턴스 값으로 변형될 수 있다. 이는 면적 A0가 실질적으로 배터리 모듈의 모듈 케이스 최하부면 면적과 실질적으로 동일하기 때문이다. 면적당 Y-캐패시턴스 값(CyA)으로 식 1을 변형하면, CyA는 Cy/A0에 상응할 수 있으며, 식 1은 εrε0/T0 ≤ PCyA로 표시될 수 있다. 실질적인 예로, 전기 자동차나 하이브리드 자동차용 배터리 모듈인 경우, 면적당 Y-캐패시턴스 값(CyA)은 25 내지 50nF/m2, 구체적으로 25 내지 40nF/m2수준일 수 있다.
도 1은 배터리 모듈(100)의 일 단면도를 도시한 도면으로, 복수개의 배터리 셀(10)이 적층된 적층체 및 복수개의 배터리 셀(10)이 수용되는 모듈 케이스(20)에서, 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면인 설계 벽면(20b)과 배터리 셀(10)들의 적층체 사이의 영역으로 규정되는 설계 공간(30)을 도시한 단면도 및 점선의 원으로 도시된 영역을 확대 도시한 확대도이다. 도 1의 일 예는 배터리 셀(10)의 적층 방향(화살표로 도시)이 설계 벽면(20b)의 면내 방향(in-plane direction)인 예이다. 도 1에 도시된 예와 같이, 설계 공간은 설계 벽면(20b)의 모듈 케이스 내측 면(21b)과 배터리 셀(10)간의 공간이다. 이때, 확대도로 도시한 예와 같이 배터리 셀이 파우치형 배터리셀과 같이 일정부분 변형 가능한 경우, 배터리 셀의 표면 굴곡에 의해 배터리 셀(10)과 내측 면(21b)간 거리가 일정하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 막 형상의 설계 공간(30)에서 막의 두께는 설계 벽면(20b)의 내측 면(21b)과 배터리 셀간의 최소 거리(T0)로 규정될 수 있다.
앞서 상술한 바와 같이, 설계 공간(LWR 영역)이 배터리 모듈의 Y-cap에 기여하는 비율은 최소 65%에서 최대 95%에 이른다. 이에 따라, 설계 공간의 캐패시턴스를 목적하는 배터리 모듈의 Y-cap인 Cy의 65%~95% 수준 이하로 제어함으로써, 배터리 모듈이 실질적으로 설계값에 상응하거나 그 이하의 Y-cap을 가질 수 있다.
식 1에서 P 값은 배터리 모듈의 Y-cap에서 설계 공간이 기여하는 정도를 의미할 뿐만 아니라, P 값을 보다 작게 제어함으로써, 설계값 이하로 Y-cap이 제어되며 Y-cap 마진(margin)이 확보되며 전기적 안정성과 사용 안전성을 보다 향상시킬 수 있으며, 나아가 설계 공간 이외의 배터리 모듈 부위의 설계 자유도를 높일 수 있다.
설계 공간이 배터리 모듈의 Y-cap에 기여하는 비율이 최소 65%에서 최대 95%임에 따라, P는 0.65 내지 0.95일 수 있으나, 설계 공간 이외에서의 배터리 모듈 설계의 자유도를 보다 높이며 전기적 안정성과 사용 안전성을 공고히 담보하는 측면에서 P는 0.5 내지 0.95, 0.50 내지 0.90, 0.50 내지 0.85, 0.50내지 0.80, 또는 0.50내지 0.75일 수 있다.
식 1에서, εrε0A0/T0는 설계 공간(LWR 영역)의 캐패시턴스에 해당한다. 이때, 도 1을 기반으로 상술한 바와 같이, T0는 설계 벽면의 내측 면과 배터리 셀 간의 최소 거리일 수 있다. 실질적인 일 예로, 배터리 셀이 파우치형 배터리이고 접착제층에 의해 모듈 케이스의 최하부면에 고정될 때, 배터리 셀과 최하부면간의 거리가 달라지거나 불균일해질 수 있다. 또한, 파우치형 배터리 셀의 부피 변화가 발생하는 경우에도 배터리 셀과 최하부면간의 거리가 달라질 수 있다. 이때, 거리가 작을수록 캐패시턴스가 증가되는 방향임에 따라, 불균일한 거리 중 최소 거리를 설계 영역의 두께로 하여 설계 공간의 비유전율이 산출되는 것이 유리하다.
이때, 비유전율이 높을수록 설계공간의 캐패시턴스가 커짐에 따라, 식 1을 통해 산출되는 비유전율은 사용 가능한 최대 비유전율로 해석되는 것이 타당하다. 식 1을 이용한 산출시, 상업 배터리 모듈의 필수 조건인 배터리 모듈의 절연성이 확보되어야 함에 따라, 비전도성 고체물질들의 유전율을 고려한 설계 공간의 비유전율(εr)의 하한은 실질적으로 1.5 이상, 보다 실질적으로 2 이상일 수 있다. 이에 식 1에 기반한 비유전율의 상한과 실질적인 하한 범위를 갖는 비유전율의 구체 수치 영역이 도출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 식 1, 특히 배터리 모듈의 디멘젼을 고려하여 면적당 Y-캐패시턴스 값(CyA)이 25 내지 50nF/m2, 구체적으로 25 내지 40nF/m2을 만족하는 Y-캐패시턴스에 대해 식1을 만족하도록 설계 공간의 비유전율을 산출함으로써, 배터리 모듈의 조립 공정, 배터리 모듈의 충전시등에서 작업자나 사용자(차량 운전자등)에게 발생하는 정전기, 스파크, 감전사고등을 방지할 수 있으며, BMS(battery management system) 신호 사이의 교란이 방지되어 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
식 1의 비유전율(εr)은 1kHz 내지 1MHz의 교류 조건에서의 비유전율일 수 있다. 상세하게, 식 1의 비유전율(εr) 1kHz 내지 1MHz의 주파수 및 1 내지 2V의 전압을 갖는 교류 조건에서의 비유전율일 수 있다. 이러한 교류 조건에서 비유전율(εr, 유전상수)이 식 1에 의해 산출됨으로써, 배터리 모듈의 충전 과정, 방전(로드에 전력 제공) 과정, BMS(battery management system)에 의한 전하 균일화 과정등 배터리 모듈이 처해지는 다양한 상황에서 정전기나 스파크등의 발생이 효과적으로 억제될 수 있다. 이하, 특별히 한정되어 서술하지 않는 한, 비유전율(유전상수), 캐패시턴스(Y-cap 포함)등은 1kHz 내지 1MHz의 주파수 및 1 내지 2V의 전압을 갖는 교류 조건, 보다 구체적으로 1kHz 및 1V의 교류에 기준한 것일 수 있다.
알려진 바와 같이, 배터리 셀은 양극-분리막-음극의 전극 구조체가 전해질에 잠겨(젖어) 봉지재나 캔에 밀봉된 구조를 가질 수 있다. 이에, 배터리 셀의 적층 방향으로는 복수개의 전극 구조체들에 의해 열전달이 용이하게 발생하기 어렵다. 따라서, 배터리 셀의 적층 방향이 모듈 케이스의 최하부면(중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면)의 면내 방향인 경우, 배터리 셀들의 열 방출은 적층 방향에 수직인 방향으로 이루어지는 것이 효과적이다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에서, 배터리 셀의 적층 방향은 설계 벽면의 면내 방향일 수 있으며, 이러한 경우, a) 단계에서 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면(최하부면)이 설계 벽면과 동시에 냉각 벽면으로 설정될 수 있다. 이때, 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면은 냉각 플레이트에 상응할 수 있다.
최하부면이 냉각 벽면으로 설정되는 경우, 설계값의 Y-cap을 만족하면서 다양한 모듈 구조에서 배터리 모듈의 안정적 방열 특성의 확보가 가능한 설계 공간(LWR 영역)의 물성이나 구조의 설계가 더 수행될 수 있다.
상세하게, 일 구체예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 모듈 케이스의 최하부면이 설계 벽면과 동시에 냉각 벽면으로 설정되는 a) 단계 후 및 b) 단계 전, i) 설계 공간의 형태를 일정 두께(T1)와 일정 면적(A0)의 막 형태로 가정하여, 설계 공간의 열전도율 및 설계 공간과 적층체간의 접촉면적에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 하기 식 2를 만족하는 제1열전도율을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
(식 2)
Rth(0.33) ≤ 1.3 Rth(1)
식 2에서 Rth(0.33)은 접촉 면적이 0.33A0일 때 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(1)은 접촉 면적이 1A0일 때 배터리 모듈의 열저항이다.
배터리 셀의 열 방출이 모듈의 하부를 통해 이루어지는 경우(하부 냉각 구조), 배터리 모듈의 열저항에 주된 영향을 미치는 인자(냉각인자)는 열이 전도되는 경로(길이), 열의 전도가 이루어지는 면적, 및 열의 전도율을 들 수 있다. 이중 제 1군 내지 제 4군의 요소로 추출된 상업적 구현 가능한 배터리 모듈에서 구체 모듈 구조(설계)나 공정에 가장 크게 변화되는 인자(냉각인자)는 열의 전도가 이루어지는 면적이었으며, 상업적 구현 가능한 배터리 모듈에서 제 1군 내지 제 4군의 요소를 모두 고려할 때, 열의 전도가 이루어지는 면적이 최소 0.33A0까지 감소될 수 있음을 확인하였다.
이에, 다른 어떤 인자(냉각인자)보다도 열의 전도를 가능하게 하는 접촉 면적의 변화에 따른 냉각 특성 변화를 방지하는 경우, 구체 모듈의 구조(설계)나 모듈 제조 공정과 실질적으로 무관하게 모듈의 안정적이고 우수한 방열특성을 확보할 수 있다.
식 2는 설계 공간의 열전도율 및 설계 공간과 배터리 셀 적층체간의 접촉면적에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 0.33A0의 열 전도 면적에서 배터리 모듈의 열저항 Rth(0.33)이 1A0의 열전도 면적에서 배터리 모듈의 열저항 Rth(1)의 1.3배 이하, 좋게는 1.25배 이하, 보다 좋게는 1.20배 이하, 보다 더 좋게는 1.15배 이하, 가장 좋게는 1.1배 이하를 만족하는 설계 공간의 열전도율(제1열전도율)을 산출함을 의미하는 것이다.
이때, 열전도율이 높을수록 우수한 방열 특성을 가짐에 따라, 식 2를 통해 산출되는 열전도율은 사용 가능한 최소 열전도율로 해석되는 것이 타당하다. 상업 배터리 모듈의 필수 조건인 배터리 모듈의 절연성을 훼손하지 않도록 비전도성이며 우수한 열전도 특성을 갖는 물질들의 열전도율, 경화성 물질들의 열전도율, 이들의 복합체들의 열전도율을 고려할 때, 실질적으로 설계 공간의 열전도율 상한은 10 W/(m·K)이하, 실질적으로 5W/(m·K)이하, 보다 실질적으로 3W/(m·K)이하일 수 있다. 이에 식 2에 기반한 열전도율의 하한과 실질적인 상한 범위를 갖는 열전도율의 구체 수치 영역이 도출될 수 있다.
설계 공간이 산출된 제1열전도율을 가짐으로써, 구체 모듈의 구체 구조(설계)나 모듈의 구체 제조 공정 및 설계 공간과 적층체간의 접촉면적과 실질적으로 무관하게 모듈의 방열 특성이 안정적으로 확보될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 구체예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 i) 단계를 통해 모듈의 구체 구조나 제조 공정, 설계 공간과 적층체간의 접촉면적과 실질적으로 무관하게 방열 특성이 확보될 수 있는 조건을 먼저 확립한 후, 배터리 모듈의 원활한 냉각을 위해 요구되는 최소 냉각성능을 만족하도록 설계 공간의 두께가 산출되는 ii) 단계가 더 수행될 수 있다.
즉, 일 구체예에 따른 배터리 모듈의 설계 방법은 i) 단계 후, ii) 설계 공간의 형태를 일정 면적(A0)의 막 형태로 가정하고, 상기 제1열전도율의 값 및 막 두께(T2)에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 하기 식 3을 만족하는 막의 두께(Tc)를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
(식 3)
Rth(t)≤ Rth(Lim)
식 3에서 Rth(t)는 막의 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(Lim)은 설계값으로, 요구되는 배터리 모듈의 열저항이다. 구체적으로 Rth(Lim)은 냉각 성능이 확보될 수 있는 배터리 모듈의 출력과 관련된 배터리 모듈의 열저항 값으로, 배터리 모듈의 구체 용도에 따라 알려지고 요구되며 통용되는 값이다. 일 예로, 전기자동차용 배터리 모듈의 경우 Rth(Lim)은 2.0k/W일 수 있다. 이때, 열저항이 낮을수록 냉각 성능이 향상되는 것임에 따라, 설계값인 Rth(Lim)은 요구되는 모듈 열저항 상한값을 의미함은 물론이다.
이때, 설계 공간의 두께가 얇아질수록 모듈의 열저항이 감소하는 방향임에 따라, 식 3을 통해 산출되는 두께(Tc)는 Rth(Lim)을 만족할 수 있는 최대 두께로 해석되는 것이 타당하다. 또한, 제1열전도율의 값 및 막 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로 식 3을 만족하는 막의 두께 산출시, 접촉면적은 1A0로 하여도 또는 0.33A0로 설정 하여도 무방하다. 이는 식 2를 통해 열의 전도를 가능하게 하는 접촉 면적의 변화에 따른 냉각 특성 변화가 방지되는 설계 공간의 열전도율이 산출되었기 때문이다. 다만, 설계 안정성을 위해, 식 3을 만족하는 막 두께 산출시, 접촉면적이 0.33A0인 조건에서 제1열전도율의 값 및 막 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 식 3을 만족하는 막의 두께(Tc)가 산출되는 것이 좋다.
상업 배터리 모듈, 특히 차량용 배터리 모듈은 전기적 안정성을 위해 절연된 상태여야 하며, 기계적 안정성을 위해 배터리 셀들이 물리적으로 부착 고정된 상태이어야 한다. 이에, 막 형태의 설계 공간의 두께는, 최소한, 안정적으로 배터리 셀들을 최하부면에 부착 고정시킬 수 있는 두께 이상이어야 하며 또한 안정적인 절연 특성이 확보될 수 있는 두께 이상이어야 한다. 이를 고려하여, 설계 공간의 두께의 하한은 실질적으로 0.3mm 이상, 좋게는 0.5mm 이상일 수 있다.
상술한 바와 같이, i) 단계를 통해 접촉 면적과 무관하게 방열 특성이 확보될 수 있는 설계 공간의 열전도율이 산출된 후, ii) 단계를 통해 요구되는 냉각 성능을 만족할 수 있는 두께의 구체 수치 영역, 즉, 식 3에 기반한 막 두께의 상한(Tc)과 실질적인 하한 범위를 갖는 설계 공간 두께의 구체 수치 영역이 도출될 수 있다.
다시 식 1로 돌아가면, 식 1에서 A0는 모듈 케이스에서 최하부면(설계 벽면의 내측 면)의 면적에 상응할 수 있다. 식 1에서 T0는 3가지의 경우로 나뉠 수 있다.
첫째, 배터리 모듈의 설계에 따라 이미 설계 공간의 크기가 설정된 경우, T0는 설계값에 따를 수 있다. 이러한 경우, i) 단계가 더 수행될 때, i) 단계에서 막 형태의 설계 공간의 두께 또한 T0일 수 있으며, 이후, ii) 단계 대신, iii) 설계 공간의 형태를 일정 두께(T0)와 일정 면적(A0)의 막 형태로 가정하여, 식 2에 기반한 열전도율의 하한과 실질적인 상한 범위를 갖는 열전도율에 따른 열저항을 기반으로, 식 4를 만족하는 제2열전도율을 산출하는 단계;가 더 수행될 수 있다.
(식 4)
Rth'(t)≤ Rth(Lim)
식 4에서 Rth'(t)는 막의 열전도율에 따른 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(Lim)은 설계값으로 배터리 모듈의 열저항이다.
식 4에 의해 새로운 열전도율 하한값이 산출될 수 있으며, 이를 통해 배터리 모듈 출력별 요구되는 냉각 특성을 만족하며 구체 배터리 모듈의 구조에 실질적으로 영향을 받지 않고 안정적인 냉각 특성을 나타낼 수 있는 새로운(보다 좁은) 열전도율의 범위가 산출될 수 있다.
둘째, T0가 설계값으로 규정되지 않고, 일 구체예에 따라 방열 특성 또한 고려되지 않는 경우, 식 1의 T0는 적층체의 일 배터리 셀에서 일 배터리 셀의 두께(W, 도 1 참고)을 기준으로 0.3mm 내지 1W, 구체적으로 0.3mm 내지 0.5W로 규정될 수 있다. 이러한 T0는 하부 냉각이 이루어지는 배터리 모듈에서 셀 적층체와 모듈 바닥면간 절연층, 냉각 패드, 방열 접착제, 코팅층, 접착층등의 기 알려진 다양한 절연체가 도입될 때, 그 두께로 공고한 절연성이 확보될 수 있는 두께이며, 전기자동차나 하이브리드 자동치용 배터리에서 요구되는 절연성인 3kV 내전압 특성이 안정적으로 확보될 수 있는 두께이다. 이때, 규정된 T0 전 범위에서 식 1을 만족하도록 비유전율이 산출될 수도 있다.
셋째, T0가 설계값으로 규정되지 않고, 일 구체예에 따라 방열 특성과 냉각 특성을 모두 만족하도록 산출되는 경우, a) 단계 후 및 b) 단계 전, i) 단계가 수행되되, 막형태의 설계 공간의 두께(T1)는 0.3mm 내지 1W를 만족하는 일정 두께로 i) 단계가 수행되고, 이후, ii) 단계에 의해 식 3에 기반하여 산출된 막 두께, 구체적으로 식 3에 기반하여 산출된 막 두께의 상한(Tc)과 실질적인 하한 범위를 갖는 설계 공간 두께의 구체 수치 영역이 산출된 후, b) 단계에서 ii) 단계에 의해 산출된 막 두께 범위를 만족하는 T0를 이용하여 설계 공간의 비유전율이 산출될 수 있다. 이때, 산출된 T0 전 범위에서 식 1을 만족하도록 비유전율이 산출될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 설계 방법에서, 배터리 셀은 파우치형 배터리 또는 각형 배터리일 수 있다. 각형 배터리는 양극-분리막-음극의 전극 조립체와 전해질이 각형 금속 캔 용기에 의해 밀폐된 것이며, 파우치형 배터리는 전극 조립체가 봉지재에 의해 밀폐된 것이다. 이때, 봉지재(파우치)는 외층 필름과 내층 필름 사이에 알루미늄 막등과 같은 금속막이 개재된 다층 필름 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. i) 단계와 ii) 단계 또는 i) 단계와 iii) 단계의 냉각 성능까지 고려하는 경우, 본 발명은 파우치형 배터리 셀에서 보다 효과적이다.
상술한 배터리 모듈의 설계 방법은 에너지 저장 시스템의 열 및 전기 특성을 시뮬레이션하는 통상의 툴을 사용하여 수행될 수 있다. 이에, 본 발명은 상술한 배터리 모듈의 설계 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독가능 기록매체를 포함한다. 본 발명의 설계 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
이하, 파우치형 배터리 셀, 금속 모듈 케이스, 격벽에 의해 냉매의 유로가 형성된 냉각판이 모듈 케이스 하부에 위치하는 하부 냉각 구조에 근간하고, 모듈 케이스와 배터리 셀 적층체간 배터리 셀 적층체를 기준으로 상부로는 패드, 절연시트, 에어갭이 위치하며, 양 측면으로는 패드가 위치하고, 전방과 후방으로는 버스바, 에어갭, 제1수지부재, 에어갭, 제2수지부재, 에어갭이 위치하며, 하부로는 설계 공간을 갖는 배터리 모듈을 일 예로, 일 구체예에 따라 수행된 설계 방법에 의해 설계 공간의 물성을 산출하고, 설계 공간이 해당 물성을 만족하도록 실 모듈을 제조하여 비교한 결과를 제공한다.
도 2는 냉각 성능과 Y-cap 특성을 모두 만족하는 일 구체예에 따른 배터리 설계 방법에서, i) 단계의 접촉면적 및 열전도율에 따른 배터리 모듈의 열저항을 산출 도시한 도면이며, 도 3은 접촉면적 및 열전도율에 따른 배터리 모듈의 열저항 산출시 일 조건에서 배터리 셀 적층체에서의 열 분포를 도시한 일 예이다. 이때, 막 형태의 설계 공간의 두께(T2)로 0.1W를 설정하였다. 도 2에서 upper는 접촉 면적이 1A0일 때의 결과를, lower는 접촉면적이 0.33A0일 때의 결과를 의미한다. 도 2에 도시한 일 예와 같이, 설계 공간의 열전도율이 식 2를 만족하도록 설계됨으로써, 접촉 면적에 실질적으로 무관하게 안정적인 냉각 성능이 확보될 수 있다. 식 2에 의해 산출된 열전도율(의 하한값)은 0.5W/(m·K)였으며, 열저항 Rth(0.33)이 열저항 Rth(1)의 1.1배 이하인 조건에 의해 산출된 열전도율(의 하한값)은 1.0W/(m·K)였다.
도 4는 0.5W/(m·K) 내지 실질적이며 현실적인 상한인 3W/(m·K) 범위의 열전도율 범위에서, 설계 공간의 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항을 도시한 도면이다. 도 4의 배터리 모듈 열저항은 0.33A0의 접촉면적을 가질 때의 결과이며, 열전도율이 증가하며 모듈 열저항이 감소함에 따라 0.5~1.5W/(m·K)의 결과만을 도시하였다. 도 4에서 설계 공간의 막 두께가 증가하는 방향을 화살표 방향으로 도시하였다.
도 4에 도시한 결과와 같이 i) 단계에서 임시 규정된 두께인 0.1W에서 벗어나 설계 공간의 두께를 변화(최소 두께=0.3mm)시킬 때, 설계 공간의 두께가 두꺼워짐에 따라, 또한 설계 공간의 열전도율이 감소함에 따라, 모듈 열저항 값이 증가함을 알 수 있다. Rth(Lim)이 2K/W인 경우, 열전도율 하한값인 0.5W/(m·K)에서 2K/W 이하의 모듈 열저항 조건을 만족하기 위해서는 노란색 선으로 도시한 3mm 두께 이하의 두께를 가져야 함을 알 수 있다. 또한, Rth(Lim)이 1K/W인 경우 열전도율 하한값인 0.5W/(m·K)에서 1K/W 이하의 모듈 열저항 조건을 만족하는 설계 공간의 두께는 0.3mm으로, 실질적으로 절연성이 확보되는 한계 두께에 이르렀다. 반면, 열저항 Rth(0.33)이 열저항 Rth(1)의 1.1배 이하인 조건에 의해 산출된 열전도율(의 하한값)인 1.0W/(m·K)를 기준하는 경우 변화시킨 모든 두께(0.3mm~3.5mm)에서 2K/W 이하의 모듈 열저항 조건을 만족하였다. 또한, 열저항 Rth(0.33)이 열저항 Rth(1)의 1.1배 이하인 조건에 의해 산출된 열전도율(의 하한값)인 1.0W/(m·K)를 기준하는 경우, Rth(Lim)=1K/W일 때, 설계공간의 두께가 1mm 이하인 경우 모듈 열저항이 1K/W이하를 만족하였다. 도 4와 같이 i)단계에서 산출된 구체 열전도율(하한값)을 기준으로, ii) 단계를 통해 1 내지 2K/W의 Rth(Lim)을 만족할 수 있는 두께(상한값)가 산출될 수 있다. Rth(0.33) ≤ 1.3 Rth(1)의 조건에서 산출된 열전도율 0.5W/(m·K) 기준 3mm 이하의 두께, 실질적으로 0.3 내지 3mm 두께를 가질 때 2K/W(Rth(Lim)) 이하의 모듈 열저항을 만족할 수 있으며, Rth(0.33) ≤ 1.1 Rth(1)의 조건에서 산출된 열전도율 1.0W/(m·K) 기준 1mm 이하의 두께, 실질적으로 0.3 내지 1mm 두께를 가질 때 1K/W(Rth(Lim)) 이하의 모듈 열저항을 만족할 수 있다.
0.50 내지 0.95의 P 및 0.3 내지 3.0mm의 T0 범위나 0.3 내지1mm의 T0에서, 도 5와 같이 설계 공간의 비유전율과 설계 공간의 두께(T0)에 따른 배터리 모듈의 Y-cap과 비교한 결과, 식 1을 통해 산출된 바와 같이, 0.3mm(붉은색) 내지 3.0mm(보라색)의 두께 변화에서 설계 공간의 비유전율 9 이하일 때, 배터리 모듈의 Y-cap이 5nF 이하를 만족함을 알 수 있다. 단위 면적당 Y-캐패시턴스가 37.6nF/m2(Cy=5nF)
이러한 설계 결과를 기반으로, 설계시 사용된 모듈 구조와 동일한 모듈을 실 제조하되, 모듈 최하부면의 설계 공간에 방열접착제층을 형성하고 방열접착제층에 의해 다수개의 파우치형 배터리 셀의 좁은 측면이 결착 및 고정되도록 하였다. 이때, 설계 공간에서 방열접착제층과 파우치형 배터리 셀간의 접촉 면적은 최하부면 면적의 85%였다. 설계 공간에 위치하는 방열접착제층의 두께 방향 열전도율(ISO 22007-2에 기준함)은 1.2W/(m·K)이었으며, 방열접착제층의 두께는 1mm이었고, 방열접착제층의 비유전율(ASTM D-150에 기준함, 유전율 측정 샘플 디멘젼=길이 0.9cm, 너비 3cm, 두께 0.3cm, 실리콘 웨이퍼 상에 방열접착제층을 도포 및 상온 경화하여 샘플 디멘젼을 만족하는 방열접착제층을 형성한 후, Ag를 진공 증착하여 전극을 형성하고, precision semiconductor parameter analyzer 4156A(휴렛 패커드사)를 이용하여 10초간 측정된 캐패시턴스의 평균값을 취함)은 1KHz 및 1V 기준 8.95였으며, 1MHz 및 1V기준 6.98이었고, 1kHz 및 2V 기준 8.87이었으며, 1MHz 및 2V 기준 6.92였다. 또한, 방열접착제층의 절연파괴전압(break down voltage, ASTM D-149에 기준함)은 10kV/mm였으며, 면저항(surface resistivity, ASTM D-257에 기준함)은 1012Ω/sq.였고, 체적 저항(volume resistivity, ASTM D-257에 기준함)은 1011Ω·cm였으며, 방열접착제층의 쇼어 D 경도(ASTM D2240에 기준함)는 67이었고, 전단 강도(ASTM D1002에 기준함)는 6.5 MPa였으며, 방열접착제층의 180ㅀ 박리 강도(ASTM D903에 기준함)는 1100gf/cm였다. 모듈의 열저항은 냉각매가 흐르는 유로를 갖는 냉각부재의 상부면에 열결합물질(thermal interface materialm 1.3 W/m·K)을 부착한 후 배터리 모듈을 안착시키고 클램프를 이용하여 가압 고정한 후 배터리 모듈과 충방전기를 전기적으로 연결하고 수백회 내지 수천회의 반복적인 충방전(완충/완방)을 수행하되, 반복적 충방전시 배터리 셀의 온도(T1)와 모듈 하부(열결합물질 상측)의 온도(T2)를 측정하고, 배터리 셀의 내부저항 및 인가되는 전류값을 이용하여 배터리 셀(들)에서 발생하는 열량(heat, W)을 계산하고, T1과 T2간의 온도차를 열량으로 나누어 Rth(Rth = T1-T2 / heat, K/W)를 구하고, 그 최대값을 취하여 열저항을 측정하였다. 배터리 모듈의 Y-cap은 노이즈 필터와 연결되어 전력을 공급받는 계측기(LCR Meter)와 배터리 모듈을 절연이 된 시험대 위에 위치시킨 후, 배터리 모듈의 (+) 단자와 모듈 케이스를 계측기와 연결한 후, 1KHz 및 1V의 인가 주파수 및 전압 조건에서 배터리 모듈의 Y-cap을 측정하였다. 제조된 배터리 모듈의 열저항은 0.93K/W였으며, 배터리 모듈의 Y-cap은 3.3nF이었다. 이를 통해 일 실시예에 따른 설계 방법에 따라 중간층을 설계하는 경우, 요구되는 냉각 특성과 설계치의 Y-cap 특성을 만족하는 배터리 모듈의 제조가 가능함을 확인할 수 있다. 또한, 방열접착제층의 두께를 달리하여 동일한 배터리 모듈을 제조하고 열저항과 배터리 모듈의 Y-cap을 측정한 결과, 1.2W/mK의 열전도율을 가지며 8.95(1kHz, 1V)의 비유전율을 갖는 방열접착제가 0.3mm 내지 3mm의 두께 전 범위에서 2K/W 이하의 모듈 열저항 및 5nF 이하의 Y-cap을 만족함을 확인하였다.
본 발명은 상술한 배터리 모듈의 설계 방법으로 설계된 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈이며, 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면인 최하부면과 적층체 사이에 중간층이 위치하며, 중간층의 비유전율은 9 이하, 좋게는 8.5 이하, 보다 좋게는 8.0이하, 보다 좋게는 7.5 이하, 보다 더 좋게는 7.0 이하일 수 있으며, 실질적으로 1.5 이상, 보다 실질적으로 2 이상일 수 있다. 이때, 비유전율은 ASTM D-150에 기준한 것일 수 있으며, 1kHz 내지 1MHz의 교류, 구체적으로 1kHz 내지 1MHz 및 1 내지 2V 교류에서의 비유전율일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 최하부면은 냉각면일 수 있으며, 배터리 셀의 적층 방향은 최하부면의 면내 방향일 수 있다. 즉, 일 구체예에 따른 배터리 모듈은 하부 냉각 구조를 가질 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 중간층의 열전도율은 0.5W/mK이상, 0.6W/mK이상, 0.7W/mK이상, 0.8W/mK이상, 0.9W/mK이상, 1.0W/mK이상, 1.1W/mK이상, 1.2W/mK이상, 1.3W/mK이상, 1.4W/mK이상, 또는 1.5W/mK이상일 수 있으며, 실질적으로 10 W/(m·K)이하, 5W/(m·K)이하, 또는 3W/(m·K)이하일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에 있어, 중간층의 두께는 0.3 내지 3mm 또는 0.3 내지 1mm일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에서 중간층은 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에서, 중간층은 하기 물성 중 하나 이상을 더 만족할 수 있다.
a) 절연파괴전압 ≥ 5kV/mm
b) 전단 강도 ≥ 5MPa
c) 결착력 ≥ 1000fg/10mm
d) 체적 저항 ≥ 1011Ω·cm
e) 경도 ≤ 쇼어(Shore) D 75
일 구체예에 따른 배터리 모듈에서, 모듈의 Y-cap은 30nF 이하, 25nF 이하, 20nF 이하, 15nF 이하, 10nF 이하, 5nF 이하, 4nF 이하, 3nF 이하, 2nF 이하 또는 1nF 이하일 수 있다.
일 구체예에 따른 배터리 모듈에서, 배터리 셀은 파우치형 배터리 또는 각형 배터리일 수 있으며, 좋게는 파우치형 배터리일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (16)

  1. 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 상기 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법으로,
    a) 중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면을 설계 벽면으로 설정하고, 상기 설계 벽면과 적층체 사이의 영역을 설계 공간으로 설정하는 단계; 및
    b) 상기 설계 공간의 형태를 A0의 면적 및 T0의 두께를 갖는 막 형태로 가정하고 식 1을 만족하는 설계 공간의 비유전율(εr)을 산출하는 단계;를 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법.
    (식 1)
    εrε0A0/T0 ≤ PCy
    (식 1에서, Cy는 설계값으로, 배터리 모듈의 Y-캐패시턴스(Y-capacitance) 값이며, P는 1미만의 실수이며, ε0는 진공의 유전율이다)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 P는 0.50 내지 0.95인 배터리 모듈의 설계 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 식 1을 만족하는, 1kHz 내지 1MHz의 교류에서의 비유전율이 산출되는 배터리 모듈의 설계 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 적층 방향은 상기 설계 벽면의 면내 방향이며,
    상기 a) 단계에서 상기 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면이 설계 벽면과 동시에 냉각 벽면으로 설정되는 배터리 모듈의 설계 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    a) 단계 후, b) 단계 전,
    i) 설계 공간의 형태를 일정 두께와 일정 면적의 막 형태로 가정하여, 설계 공간의 열전도율 및 설계 공간과 적층체간의 접촉면적에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 하기 식 2를 만족하는 제1열전도율을 산출하는 단계;를 더 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법.
    (식 2)
    Rth(0.33) ≤ 1.3 Rth(1)
    (식 2에서 Rth(0.33)은 접촉 면적이 0.33A0일 때 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(1)은 접촉 면적이 1A0일 때 배터리 모듈의 열저항이다)
  6. 제 5항에 있어서,
    i) 단계 후,
    ii) 설계 공간의 형태를 일정 면적의 막 형태로 가정하고, 상기 제1열전도율의 값 및 막 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항을 기반으로, 하기 식 3을 만족하는 막의 두께(Tc)를 산출하는 단계;
    를 더 포함하는 배터리 모듈의 설계 방법.
    (식 3)
    Rth(t)≤ Rth(Lim)
    (식 3에서 Rth(t)는 막의 두께에 따른 배터리 모듈의 열저항이며, Rth(Lim)은 설계값으로 배터리 모듈의 열저항이다)
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀인 배터리 모듈의 설계 방법.
  8. 복수개의 배터리 셀이 적층된 적층체 및 상기 적층체가 수용되는 내부 공간을 갖는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈로,
    중력 방향 기준 최 하부에 위치하는 모듈 케이스 벽면인 최하부면과 상기 최하부면과 상기 적층체 사이에 열전도성과 절연성능을 갖는 중간층이 위치하며,
    상기 중간층의 1kHz 내지 1MHz 및 1 내지 2V 교류 기준 비유전율은 9 이하인 배터리 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 최하부면은 냉각면이며, 상기 배터리 셀의 적층 방향은 상기 최하부면의 면내 방향인 배터리 모듈.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 중간층의 열전도율은 0.5W/mK 이상인 배터리 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 중간층의 열전도율은 1.0W/mK 내지 3.0W/mK인 배터리 모듈.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 중간층의 두께는 0.3 내지 3.0mm인 배터리 모듈.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 중간층의 두께는 0.3mm 내지 1mm인 배터리 모듈.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 중간층은 단층 또는 다층구조인 배터리 모듈.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 중간층은 하기 물성 중 하나 이상을 더 만족하는 배터리 모듈.
    a) 절연파괴전압 ≥ 5kV/mm
    b) 전단 강도 ≥ 5MPa
    c) 최하부면과의 결착력 ≥ 1000fg/10mm
    d) 체적 저항 ≥ 1011Ω·cm
    e) 경도 ≤ 쇼어(Shore) D 75
  16. 제 8항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀인 배터리 모듈.
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