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WO2013111959A1 - 신규한 구조의 전지모듈 - Google Patents

신규한 구조의 전지모듈 Download PDF

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WO2013111959A1
WO2013111959A1 PCT/KR2013/000497 KR2013000497W WO2013111959A1 WO 2013111959 A1 WO2013111959 A1 WO 2013111959A1 KR 2013000497 W KR2013000497 W KR 2013000497W WO 2013111959 A1 WO2013111959 A1 WO 2013111959A1
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WO
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battery
module
battery cell
battery module
case
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2013/000497
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English (en)
French (fr)
Inventor
이범현
강달모
최용석
이재민
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
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Publication date
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Priority to JP2014539890A priority patent/JP6000364B2/ja
Priority to CN201380003738.7A priority patent/CN104025370B/zh
Priority to EP13741138.5A priority patent/EP2763214B1/en
Publication of WO2013111959A1 publication Critical patent/WO2013111959A1/ko
Priority to US14/266,446 priority patent/US10020549B2/en
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery module having a novel structure, and more particularly, a battery module in which chargeable and dischargeable battery cells are mounted in a module case, and the battery cells are stacked in a side direction in which electrode terminals are not located. It is mounted in a module case, the module case is a frame structure of one or more open surfaces, including a storage unit for mounting the battery cells, the storage unit can be mounted in the battery cell directly or indirect contact with the battery cell.
  • the present invention relates to a battery module including a heat dissipation support member that enables heat dissipation of a battery cell by heat conduction.
  • the secondary battery is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle that has been proposed as a solution for air pollution of existing gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. It is attracting attention as a power source such as (Plug-In HEV).
  • One or two or four battery cells are used for small mobile devices, whereas medium and large battery modules, which are electrically connected to a plurality of battery cells, are used in medium and large devices such as automobiles due to the necessity of high output capacity.
  • medium and large battery modules are preferably manufactured in a small size and weight as possible
  • square batteries and pouch-type batteries which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells (unit cells) of medium and large battery modules.
  • battery cells unit cells
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted much attention in recent years due to advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy form deformation.
  • the pouch-type battery 10 of FIG. 1 has a structure in which two electrode terminals 11 and 12 protrude from each other to protrude from an upper end and a lower end of the battery main body 13.
  • the exterior material 14 is composed of two units of upper and lower sides, and both side surfaces 14a and upper and lower ends 14b and 14c, which are mutually contacting portions, with electrode assemblies (not shown) mounted on an accommodating portion formed on the inner surface thereof.
  • the battery 10 is made by attaching.
  • the exterior material 14 has a laminate structure of a resin layer / metal foil layer / resin layer, and can be attached by mutually fusion bonding the resin layer by applying heat and pressure to both side surfaces 14a and upper and lower ends 14b and 14c which are in contact with each other.
  • the adhesive may be attached using an adhesive. Since both side surfaces 14a are in direct contact with the same resin layer of the upper and lower packaging materials 14, uniform sealing is possible by melting.
  • the electrode terminals 11 and 12 protrude from the upper end 14b and the lower end 14c, the sealing property can be improved in consideration of the thickness of the electrode terminals 11 and 12 and the heterogeneity with the material of the packaging material 14.
  • the film is heat-sealed in a state where the film-like sealing member 16 is interposed between the electrode terminals 11 and 12 so as to interpose.
  • the exterior material 14 itself is not excellent in mechanical rigidity, in order to manufacture a battery module having a stable structure, in general, battery cells (unit cells) are mounted in a pack case such as a cartridge to manufacture a battery module. have.
  • a mounting space is generally limited to a device or a vehicle on which a medium / large battery module is mounted, when the size of the battery module is increased due to the use of a pack case such as a cartridge, there is a problem of low space utilization.
  • the low mechanical stiffness of the battery cell results in repeated expansion and contraction of the battery cell during charging and discharging, thereby causing a case where the heat fusion sites are separated.
  • the battery cells constituting the medium-large battery module is composed of a secondary battery capable of charging and discharging, such a high output large capacity secondary battery generates a large amount of heat during the charging and discharging process.
  • the laminate sheet of the pouch-type battery widely used in the battery module is coated with a low thermal conductivity polymer material, it is difficult to effectively cool the temperature of the entire battery cell.
  • a vehicle battery pack that is a high output large capacity battery requires a cooling system for cooling the battery cells embedded therein.
  • a battery module mounted in a medium-large battery pack is generally manufactured by stacking a plurality of battery cells with high density, and stacking adjacent battery cells at regular intervals to remove heat generated during charging and discharging.
  • the battery cells themselves may be sequentially stacked without a separate member at predetermined intervals, or in the case of battery cells having low mechanical rigidity, one or more combinations may be embedded in a cartridge or the like, and a plurality of such cartridges may be stacked.
  • the battery module can be configured.
  • a coolant flow path is formed between the battery cells or the battery modules so as to effectively remove heat accumulated between the stacked battery cells or the battery modules.
  • this structure has a problem in that the total size of the battery module is increased because a plurality of refrigerant passages must be secured corresponding to the plurality of battery cells.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • An object of the present invention is to provide a battery module having a structure capable of reducing the temperature deviation by uniformizing the overall temperature while removing the heat by heat conduction through water cooling or air cooling, while suppressing an increase in the size of the entire battery module.
  • Still another object of the present invention is to provide a battery module capable of maximizing cooling efficiency in the same structure by minimizing heat conduction resistance existing between members used in the construction of the battery module.
  • a battery module in which charge and discharge battery cells are mounted in a module case.
  • the battery cells are stacked in a side direction in which electrode terminals are not mounted and mounted in a module case.
  • the module case has a frame structure in which one or more surfaces are open, and includes a storage unit for mounting the battery cells, and the storage unit is capable of mounting the battery cells while the battery cells are heated by direct or indirect contact with the battery cells. Consists of a structure that is equipped with a heat dissipation support member that enables heat dissipation of the cell.
  • the general battery module is configured by stacking the battery cells spaced apart by a predetermined distance to form a refrigerant flow path, and the air flow ('air-cooled') to the spaced space to prevent overheating of the battery cells It is prevented, but the heat dissipation effect is not obtained.
  • the battery module of the present invention includes a module case and a heat dissipation supporting member having a specific shape, so that the battery cell does not need a space between the battery cells or has a very small space, and has a higher efficiency than the conventional cooling system. Since the stack may be cooled, the heat dissipation efficiency of the battery module may be maximized, and the battery cells may be stacked with high integration.
  • the battery cell is an electrode terminal may be formed at one side end or opposite sides, the battery cell is preferably a plate-shaped battery cell, when stacked for the configuration of the battery module to minimize the overall size It may be a secondary battery having a thin thickness and relatively wide width and length so that it can be.
  • a preferable example of such a secondary battery is a structure in which an electrode assembly having a positive electrode / separation membrane / cathode structure is built in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and the positive electrode terminal and the negative electrode terminal protrude from both ends of the battery case.
  • a secondary battery may be cited, and specifically, may have a structure in which an electrode assembly is embedded in a pouch type case of an aluminum laminate sheet.
  • a secondary battery having such a structure may be referred to as a pouch battery cell.
  • the plate-shaped battery cell is mounted to the cell case in one or more units to form a unit module, the cell case is in direct contact with the plate-shaped battery cell and at least a portion of the outer surface of the cell case to support heat dissipation It may be a structure including a cover of a metallic material in direct contact with the member.
  • the unit module may preferably have a structure including two or more battery cells connected in series.
  • the cover of the metal material is not particularly limited as long as the material has excellent thermal conductivity so as to absorb heat generated from the battery cell and transfer the heat generated from the battery cell to the heat dissipation support member.
  • the cover of the metal material may be an aluminum cover.
  • the cover of the metal material directly contacts the side part of the plate-shaped battery cell, it can quickly and efficiently conduct heat generated from the battery cell, and thus requires a spaced space between the battery cells included in the at least one unit module. Instead, since the cooling of the battery cell stack can be performed with higher efficiency than the conventional system, the heat dissipation efficiency of the battery module can be maximized, and the battery cells can be stacked with high integration.
  • the cartridge is preferably a frame structure that is fixed to the outer peripheral surface of the battery cell and the center is open, both ends of the cover includes a bending fastening portion which is bent downward or upward for fastening with the cartridge,
  • the bent fastening portion and the cartridge of the cover may have a structure that is coupled in an assembly fastening manner.
  • the assembly fastening method may be achieved by, for example, a fastener or fastening groove formed in the bent fastening portion of the cover, and a fastening groove or fastener formed in the cartridge corresponding to the bent fastening portion.
  • This assembly fastening method does not require an additional fastening connection member, and does not require an additional space for mounting the connection member and additional space by mounting the connection member, thereby achieving a compact structure and an efficient assembly process of the battery module. It allows you to.
  • the module case body and / or cartridge is made of an electrically insulating material excellent in mechanical rigidity, preferably Can be made of plastic material. This protects the battery cells mounted inside the cartridge from external mechanical shocks and enables the battery cells to be stably mounted on the battery modules.
  • the battery cell is a plate-shaped battery cell in which the electrode terminals are formed on both opposite ends, the electrode terminals are laminated in the lateral direction toward the front and rear of the module case to form a battery cell stack
  • the main body of the module case may have a structure including side support parts extending upwardly to support side edges of the battery cell stack with the top and both sides open.
  • the side support part may have a structure in which a groove is formed on an outer surface of the battery cell stack in the vertical direction to fix the battery cell stack and the other battery module or the device.
  • the coupling relationship of the heat dissipation support member to the main body of the module case may vary.
  • the heat dissipation support member may have a structure injection molded into the main body of the module case so that the upper surface is exposed in the battery cell direction and the lower surface is exposed to the outside.
  • the heat dissipation support member and the module case body may be a structure coupled to the assembly fastening method
  • examples of the assembly fastening method may include a coupling structure of the fastening protrusion and the fastening groove, the coupling structure of the adhesive method, etc. It is not limited only to these.
  • the heat dissipation support member is not particularly limited as long as it is a material capable of absorbing heat generated from the battery cell to radiate heat to the outside, but may be preferably a metal plate.
  • the structure may be a structure including a mounting portion of the uneven structure for mounting the battery cell.
  • the heat dissipation support member obtained by the insert injection molding includes a mounting portion of the concave-convex structure for mounting the battery cell, the both ends are bent upward to surround at least a portion of the bottom and both sides of the battery cell stack It can be made of an insulating side support formed in the upward bent portion can be produced, the mechanical stiffness, high thermal conductivity and conductivity of the metal can be obtained, and at the same time, the electrical insulation, coloring, high flexibility and processability of the insulating member Can be achieved.
  • the heat dissipation support member by insert injection molding, an additional member necessary for fastening the metal material and the insulating material is not required. Therefore, since the additional space by the mounting of the additional member and the additional process for mounting the additional member is not necessary, it is possible to achieve an efficient assembly process of the battery module.
  • the battery module may have a structure further comprising an air-cooling or water-cooling heat exchange member mounted to the lower end of the heat dissipation support member, so that the heat generated from the battery cell during charge and discharge to the heat dissipation support member By passing through the heat exchange member via the heat transfer member, it is possible to exhibit more excellent cooling characteristics.
  • a heat conduction medium may be interposed between the contact surface or the space interposed between the module case, and in this case, the heat conduction medium is not particularly limited as long as the heat conduction material is excellent in thermal conductivity, but is preferably thermally grease one selected from the group consisting of a conductive grease, a thermally conductive epoxy-based bond, a thermally conductive silicone pad, a thermally conductive adhesive tape and a graphite sheet It may be abnormal.
  • the present invention also provides a battery pack in which the battery module is mounted in at least one pack case, and a device including such a battery pack as a power source, the device is specifically an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug- Phosphorus hybrid electric vehicle or power storage device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery cell constituting a unit module according to the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are perspective views illustrating a process of bending a pair of battery cells constituting a unit module according to the present invention
  • FIG. 6 is a perspective view of a cell case according to the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of a heat dissipation support member according to the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a battery module according to the present invention.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG. 8;
  • FIG. 10 is a schematic side view showing a state in which a heat exchange member is mounted on a battery module according to the present invention.
  • FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG. 10.
  • FIG. 1 is a perspective view of one exemplary battery cell constituting a unit module according to the present invention.
  • the plate-shaped pouch type battery 10 has a structure in which two electrode terminals 11 and 12 protrude from opposite sides of the battery body 13 to face each other.
  • the packaging material 14 is a laminate sheet composed of a laminate structure of a resin layer / metal foil layer / resin layer.
  • an electrode assembly (not shown) is built in a pouch-type case made of the exterior material 14.
  • FIGS. 2 and 3 are perspective views illustrating a process of bending a pair of battery cells constituting a unit module according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode terminals 12 and 21 of the battery cells 10 and 20 may be welded to each other by being bent to overlap each other.
  • FIG. 4 and 5 show an exploded view of a cell case according to one embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a perspective view of such a cell case.
  • the cell case 400 includes a cartridge 300 and a cover 200, and two plate-shaped battery cells 10 and 20 are mounted to the cell case 400 to form one unit module ( 100).
  • the cell case 400 is a battery except for the cartridge 300 and the electrode terminal portions 30 and 40 in which the two plate-shaped battery cells 10 and 20 are mounted with both sides thereof open. It includes a cover 200 is fastened to the cartridge 300 in a form surrounding the cells (10, 20).
  • the cartridge 300 is a frame structure 320 that fixes the outer circumferential surfaces of the battery cells 10 and 20 and has an open center, and is made of an electrically insulating material such as plastic.
  • the cover 200 is a plate structure in which the inner surface is in direct contact with the plate-shaped battery cell 10 and the outer surface is in direct contact with the heat dissipation support member 500, and is made of a metal material.
  • Both ends of the cover 200 include a bending fastening part 220 which is bent downwardly 221 for fastening with the cartridge 300, and the bending fastening part 220 and the cartridge 300 of the cartridge cover 200. ) Are combined in an assembly fastening manner.
  • This assembly fastening method is a method achieved by the fastening groove 321 formed in the cartridge 300 corresponding to the bent fastening portion 220 of the cover 200.
  • FIG. 7 is a heat dissipation support member according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of FIG. 8. Is shown.
  • the unit modules (401, 402, 403, 404, 405, 406, 407) are stacked in the lateral direction, the uneven structure (510, 520) of the heat dissipation support member 500 made of aluminum material It is mounted to the mounting portion 510 formed.
  • the battery module 700 includes side support parts 540 extending upward to support side edges of the unit modules 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407 with the top and both sides open.
  • the side supports 540 have unit modules 401, 402, 403, 404, 405, 406, and 407, and grooves 541 on the outer surface in the vertical direction for fastening with other battery modules or devices. Formed.
  • the heat dissipation support member 500 has both end portions 530 upwardly bent to surround portions of the lower ends and both sides of the unit modules 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407.
  • FIG. 10 is a side schematic view showing a heat exchange member mounted on a battery module according to the present invention
  • FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG. 10.
  • the heat dissipation member 600 for water cooling is mounted on the lower end of the heat dissipation support member 500 in the battery module 700, and heat generated from the battery cells 10 and 20 during charge / discharge is supported by the heat dissipation support member. It is removed by heat conduction through the heat exchange member 600 via the 500.
  • the refrigerant (not shown) is introduced 610 into the refrigerant inlet 601 of the heat exchange member 600, and the flow of the introduced refrigerant 630 receives heat conducted through the heat dissipation support member 500.
  • Absorption 640 the heat absorbed refrigerant is discharged 620 through the refrigerant outlet 602 of the heat exchange member 600.
  • the heat conducting medium 540 may be interposed between the contact surface 220 or the interspace 540 coupled with the unit modules 401, 402, 403, 404, 405, 406, and 407.
  • the battery module according to the present invention includes a module case and a heat dissipation support member having a specific shape, thereby effectively dissipating heat generated in the battery cell to the outside while minimizing the increase in the size of the battery module.

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 전지셀들이 모듈 케이스에 장착되어 있는 전지모듈로서, 상기 전지셀들은 전극단자가 위치하지 않은 측면방향으로 적층되어 모듈 케이스에 장착되어 있으며, 상기 모듈 케이스는 일면 이상이 개방된 프레임 구조로서, 전지셀들의 장착을 위한 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부에는 전지셀의 장착이 가능하면서 전지셀과 직접 또는 간접 접촉에 의한 열 전도에 의해 전지셀의 방열을 가능하게 하는 방열 지지부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

신규한 구조의 전지모듈
본 발명은 신규한 구조의 전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 전지셀들이 모듈 케이스에 장착되어 있는 전지모듈로서, 상기 전지셀들은 전극단자가 위치하지 않은 측면방향으로 적층되어 모듈 케이스에 장착되어 있으며, 상기 모듈 케이스는 일면 이상이 개방된 프레임 구조로서, 전지셀들의 장착을 위한 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부에는 전지셀의 장착이 가능하면서 전지셀과 직접 또는 간접 접촉에 의한 열 전도에 의해 전지셀의 방열을 가능하게 하는 방열 지지부재를 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀(단위전지)로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
도 1에는 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극단자(11, 12)가 서로 대향하여 전지 본체(13)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장재(14)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)를 부착시킴으로써 전지(10)가 만들어진다. 외장재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(14a)과 상단부 및 하단부(14b, 14c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(14a)은 상하 외장재(14)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(14b)와 하단부(14c)에는 전극단자(11, 12)가 돌출되어 있으므로 전극단자(11, 12)의 두께 및 외장재(14) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극단자(11, 12)와의 사이에 필름상의 실링부재(16)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
그러나, 외장재(14) 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 일반적으로 전지셀들(단위전지들)을 카트리지 등의 팩 케이스에 장착하여 전지모듈을 제조하고 있다. 그러나, 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 또는 차량 등에는 일반적으로 장착공간이 한정적이므로, 카트리지와 같은 팩 케이스의 사용으로 인해 전지모듈의 크기가 커지는 경우에는 낮은 공간 활용도의 문제점이 초래된다. 또한, 전지셀의 낮은 기계적 강성은 충방전시 전지셀의 반복적인 팽창 및 수축으로 나타나고, 그로 인해 열융착 부위가 분리되는 경우도 초래된다.
한편, 이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조는 다수의 전지셀들에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지모듈의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지모듈의 크기를 고려하여, 많은 전지셀들을 적층할수록 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로들을 형성하게 되는데, 이로 인해 냉각 구조의 설계가 복잡해지는 문제점이 발생한다. 즉, 냉매의 유입구 대비 상대적으로 좁은 간격의 냉매 유로는 높은 압력 손실을 유발하게 되어, 냉매의 유입구 및 배출구의 형태와 위치 등을 설계하는데 많은 어려움이 따른다. 또한, 이러한 압력 손실을 방지하기 위하여 팬이 추가적으로 설치되기도 하므로, 전력 소모와 팬 소음, 공간 등과 같이 설계상의 제약이 따를 수 있다.
더욱이, 냉각 구조의 구성시 사용되는 부재들 사이에 존재하는 열전도 저항으로 인해, 설계시에 의도한 냉각 효율성이 얻어지지 못하는 경우가 자주 발생한다.
따라서, 고출력 대용량의 전력을 제공하면서도 간단하고 콤팩트(compact) 한 구조로 제조될 수 있고, 수명 특성과 안전성이 우수한 전지모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 수냉 또는 공냉을 통한 열전도에 의해 열을 제거함으로써, 전지모듈 전체의 크기 증가를 억제하면서 전체 온도를 균일하게 하여 온도편차를 줄일 수 있는 구조의 전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전지모듈의 구성시 사용되는 부재들 사이에 존재하는 열전도 저항을 최소화하여, 동일한 구조에서 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 전지모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
충방전이 가능한 전지셀들이 모듈 케이스에 장착되어 있는 전지모듈로서,
상기 전지셀들은 전극단자가 위치하지 않은 측면방향으로 적층되어 모듈 케이스에 장착되어 있으며,
상기 모듈 케이스는 일면 이상이 개방된 프레임 구조로서, 전지셀들의 장착을 위한 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부에는 전지셀의 장착이 가능하면서 전지셀과 직접 또는 간접 접촉에 의한 열 전도에 의해 전지셀의 방열을 가능하게 하는 방열 지지부재가 장착되어 있는 구조로 이루어져 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 일반적인 전지모듈은 냉매 유로의 형성을 위해 전지셀들을 소정의 거리만큼 이격된 상태로 적층하여 구성하고, 이러한 이격된 공간으로 공기를 유동('공냉식')시켜 전지셀들의 과열을 방지하고 있으나, 충분한 방열 효과는 얻고 있지 못하는 실정이다.
이에 반해, 본 발명의 전지모듈은 특정한 형상의 모듈 케이스 및 방열 지지부재를 포함함으로써, 전지셀들 사이에 이격 공간을 필요로 하지 않거나 매우 작은 이격 공간만으로도, 종래의 냉각 시스템보다 높은 효율성으로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 방열 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.
본 발명에서, 상기 전지셀은 전극 단자가 일측 단부 또는 양측 대향 단부들에 형성될 수 있으며, 상기 전지셀은 바람직하게는 판상형 전지셀로서, 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화 할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지일 수 있다.
이러한 이차전지의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 내장되어 있고, 상기 전지케이스 양단에 양극단자 및 음극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 판상형 전지셀은 하나 이상의 단위로 셀 케이스에 장착되어 단위모듈을 형성하고 있고, 상기 셀 케이스는 내면이 판상형 전지셀과 직접 접촉하고 외면의 적어도 일부가 모듈 케이스의 방열 지지부재와 직접 접촉하는 금속 소재의 커버를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
상기 단위모듈은 바람직하게는 직렬 연결된 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 구조일 수 있다.
상기 금속 소재의 커버는, 상기 전지셀로부터 발생한 열을 흡수하여 상기 방열 지지부재에 전달할 수 있도록 열전도율이 우수한 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 알루미늄 소재의 커버일 수 있다.
이러한 금속 소재의 커버는 판상형 전지셀의 측면부에 직접 접촉하기 때문에, 전지셀로부터 발생한 열을 빠르고 효율적으로 전도할 수 있는 바, 적어도 하나의 단위모듈에 포함된 전지셀들 사이에 이격 공간을 필요로 하지 않고, 종래의 시스템보다 높은 효율성으로 전지셀 적층체의 냉각을 수행할 수 있으므로, 전지모듈의 방열 효율성을 극대화할 수 있고, 높은 집적도로 전지셀들을 적층할 수 있다.
한편, 상기 카트리지는 바람직하게는 전지셀의 외주면을 고정하고 중앙이 개방된 프레임 구조일 수 있으며, 상기 커버의 양측 단부는 카트리지와의 체결을 위해 하향 또는 상향 절곡되어 있는 절곡 체결부를 포함하고 있고, 상기 커버의 절곡 체결부와 카트리지는 조립 체결 방식으로 결합되는 구조일 수 있다.
상기 조립 체결 방식은, 예를 들어, 커버의 절곡 체결부에 형성되어 있는 체결구 또는 체결홈과, 절곡 체결부에 대응하여 카트리지에 형성되어 있는 체결홈 또는 체결구에 의해 달성될 수 있다.
이러한 조립 체결 방식은, 추가적인 체결용 연결 부재를 필요치 않는 방식으로서, 연결 부재의 장착에 의한 추가적인 공간 및 연결 부재의 장착을 위한 추가적인 공정이 필요치 않으므로, 전지모듈의 콤팩트 한 구조 및 효율적인 조립 공정을 달성할 수 있게 해 준다.
한편, 상기 전지셀의 외장재 자체의 기계적 강성이 우수하지 못하므로, 안정한 구조의 전지모듈을 제조하기 위하여, 상기 모듈 케이스 본체 및/또는 카트리지는 기계적 강성이 우수한 전기 절연성 소재로 제작되는 바, 바람직하게는 플라스틱 소재로 제작될 수 있다. 이는 카트리지 내부에 장착된 전지셀을 외부의 기계적 충격으로부터 보호함과 동시에 전지셀을 전지모듈에 안정적으로 장착될 수 있도록 해 준다.
바람직하게는, 상기 전지셀은 전극 단자들이 양측 대향 단부들에 형성되어 있는 판상형 전지셀이고, 전극 단자들이 모듈 케이스의 전면 및 후면을 향하도록 측면 방향으로 적층되어 전지셀 적층체를 이루고 있는 구조일 수 있으며, 상기 모듈 케이스의 본체는 상면 및 양측면이 개방된 상태로 전지셀 적층체의 측면 모서리들을 지지하도록 상향 연장된 측면 지지부들을 포함하는 구조일 수 있다.
상기 측면 지지부에는 전지셀 적층체를 고정하고 기타 전지모듈 또는 디바이스와의 체결을 위해 상하 방향으로 외면에 그루브가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
모듈 케이스의 본체에 대한 방열 지지부재의 결합 관계는 다양할 수 있다.
예를 들어, 상기 방열 지지부재는 상면이 전지셀 방향으로 노출되고 하면이 외부로 노출되도록 모듈 케이스의 본체에 인서트 사출 성형된 구조일 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 방열 지지부재와 모듈 케이스 본체가 조립 체결 방식으로 결합되는 구조일 수 있으며, 상기 조립 체결 방식의 예로는 체결돌기와 체결홈의 결합 구조, 접착 방식의 결합 구조 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 방열 지지부재는 전지셀로부터 발생한 열을 흡수하여 외부로 방열할 수 있는 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 금속 소재의 판재인 것일 수 있다.
상기 구조는, 바람직하게는, 전지셀의 장착을 위한 요철 구조의 장착부를 포함하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 인서트 사출 성형으로 얻어진 방열 지지부재는, 전지셀의 장착을 위한 요철 구조의 장착부를 포함하고, 전지셀 적층체의 하단과 양측면의 적어도 일부를 감싸도록 양측 단부가 상향 절곡되어 있으며, 상기 상향 절곡부에 형성된 절연성 측면 지지부로 구성되어 제조될 수 있는 바, 금속이 가진 기계적 강성, 높은 열전도율 및 도전성을 얻을 수 있음과 동시에, 절연성부재의 전기 절연성, 착색성, 높은 유연성 및 가공성을 달성할 수 있다.
또한, 인서트 사출 성형에 의해 방열 지지부재를 제작함으로써, 금속 소재와 절연 소재와의 체결에 필요한 추가적인 부재를 필요치 않게 된다. 따라서, 추가적인 부재의 장착에 의한 추가적인 공간 및 상기 추가적인 부재의 장착을 위한 추가적인 공정이 필요치 않게 되므로, 상기 전지모듈의 효율적인 조립 공정을 달성할 수 있게 해 준다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈은 방열 지지부재의 하단에 장착되는 공냉용 또는 수냉용 열교환 부재를 추가로 포함하는 구조일 수 있으며, 이로 인해 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 방열 지지부재를 경유하여 상기 열교환 부재를 통해 열전도에 의해 제거됨으로써 더욱 우수한 냉각 특성을 발휘할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 모듈케이스와 결합되는 접촉면 또는 사이 공간에 열전도 매개체가 개재될 수도 있으며, 이 경우에 상기 열전도 매개체는, 열전도율이 우수한 열전도 소재라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈이 하나 이상 팩 케이스에 장착되어 있는 전지팩과, 이러한 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치일 수 있다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 단위모듈을 구성하는 전지셀의 사시도이다;
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 단위모듈을 구성하는 한 쌍의 전지셀을 절곡하는 과정을 나타내는 사시도들이다;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 셀 케이스의 분해도이다;
도 6은 본 발명에 따른 셀 케이스의 사시도이다;
도 7은 본 발명에 따른 방열 지지부재의 사시도이다;
도 8은 본 발명에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 9는 도 8의 부분 확대도이다;
도 10은 본 발명에 따른 전지모듈에 열교환 부재가 장착된 모습을 나타내는 측면 모식도이다;
도 11은 도 10의 부분 확대도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 단위모듈을 구성하는 하나의 예시적인 전지셀의 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 판상형의 파우치형 전지(10)는 두 개의 전극단자(11, 12)가 전지 본체(13)의 양측 대향 단부에 서로 대향하여 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
외장재(14)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있는 라미네이트 시트이다. 또한, 상기 외장재(14)로 제작된 파우치형 케이스 내부에 전극조립체(도시하지 않음)가 내장되어 있다.
도 2 및 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈을 구성하는 한 쌍의 전지셀을 절곡하는 과정을 나타내는 사시도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 두 개의 파우치형 전지셀들(10, 20)을 그것의 전극단자들(12, 21)이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서, 전극단자들(12, 21)을 용접하여 상호 결합(30)시킨 뒤, 두 개의 단위로 전지셀들(10, 20)을 중첩되도록 절곡한다. 경우에 따라서는, 전지셀들(10, 20)의 전극단자들(12, 21)을 중첩되도록 절곡한 상태에서 용접하여 상호 결합(30)시킬 수도 있다.
도 4 및 도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 셀 케이스의 분해도가 도시되어 있고, 도 6에는 이러한 셀 케이스의 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 셀 케이스(400)는 카트리지(300)와 커버(200)로 이루어져 있고, 2개의 판상형 전지셀들(10, 20)이 셀 케이스(400)에 장착되어 1개의 단위모듈(100)을 형성한다. 구체적으로, 셀 케이스(400)는 2개의 판상형 전지셀들(10, 20)이 그것의 양면이 개방된 상태에서 장착되는 카트리지(300)와, 전극단자 부위들(30, 40)를 제외하고 전지셀들(10, 20)을 감싸는 형태로 카트리지(300)에 체결되는 커버(200)를 포함하고 있다.
카트리지(300)는 전지셀들(10, 20)의 외주면을 고정하고 중앙이 개방된 프레임 구조(320)로서, 플라스틱과 같은 전기절연성 소재로 이루어져 있다.
커버(200)는 내면이 판상형 전지셀(10)과 직접 접촉하고 외면이 방열 지지부재(500)와 직접 접촉하는 판재 구조물이며, 금속 소재로 이루어져 있다.
커버(200)의 양측 단부는 카트리지(300)와의 체결을 위해 하향 절곡(221)되어 있는 절곡 체결부(220)를 포함하고 있고, 카트리지 커버(200)의 절곡 체결부(220)와 카트리지(300)는 조립 체결 방식으로 결합된다.
이러한 조립 체결 방식은, 커버(200)의 절곡 체결부(220)에 대응하여 카트리지(300)에 형성되어 있는 체결홈(321)에 의해 달성되는 방식이다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 방열 지지부재가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 도시되어 있으며, 도 9에는 도 8의 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 함께 참조하면, 단위모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406, 407)은 측면방향으로 적층되어, 알루미늄 소재로 이루어진 방열 지지부재(500)의 요철구조(510, 520)로 형성된 장착부(510)에 장착되어 있다.
전지모듈(700)은 상면 및 양측면이 개방된 상태로 단위모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406, 407)의 측면 모서리들을 지지하도록 상향 연장된 측면 지지부들(540)을 포함하고 있으며, 측면 지지부들(540)에는 단위모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406, 407)를 고정하고 기타 전지모듈 또는 디바이스와의 체결을 위해 상하 방향으로 외면에 그루브(541)가 형성되어 있다.
방열 지지부재(500)는 단위모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406, 407)의 하단과 양측면의 일부를 감싸도록 양측 단부(530)가 상향 절곡되어 있다.
도 10에는 본 발명에 따른 전지모듈에 열교환 부재가 장착된 모습을 나타내는 측면 모식도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 부분 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈(700)에서 방열 지지부재(500)의 하단에는 수냉용 열교환 부재(600)가 장착되어 있고, 충방전시 전지셀(10, 20)로부터 발생한 열이 방열 지지부재(500)를 경유하여 열교환 부재(600)를 통해 열전도에 의해 제거된다.
구체적으로, 냉매(도시하지 않음)는 열교환 부재(600)의 냉매 유입구(601)로 유입(610)되고, 유입된 냉매의 흐름(630)은 방열 지지부재(500)를 경유하여 전도된 열을 흡수(640)하게 되며, 열을 흡수한 냉매는 열교환 부재(600)의 냉매 배출구(602)를 통해 배출(620)된다.
단위모듈들(401, 402, 403, 404, 405, 406, 407)와 결합되는 접촉면(220) 또는 사이 공간(540)에는 경우에 따라서는 열전도 매개체(540)가 개재될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 특정한 형상의 모듈 케이스와 방열 지지부재를 포함함으로써, 전지모듈의 크기 증가를 최소화하면서 전지셀에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다.

Claims (19)

  1. 충방전이 가능한 전지셀들이 모듈 케이스에 장착되어 있는 전지모듈로서,
    상기 전지셀들은 전극단자가 위치하지 않은 측면방향으로 적층되어 모듈 케이스에 장착되어 있으며,
    상기 모듈 케이스는 일면 이상이 개방된 프레임 구조로서, 전지셀들의 장착을 위한 수납부를 포함하고 있고, 상기 수납부에는 전지셀의 장착이 가능하면서 전지셀과 직접 또는 간접 접촉에 의한 열 전도에 의해 전지셀의 방열을 가능하게 하는 방열 지지부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극 단자가 일측 단부 또는 양측 대향 단부들에 형성되어 있는 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 하나 이상의 단위로 셀 케이스에 장착되어 단위모듈을 형성하고 있고, 상기 셀 케이스는 내면이 판상형 전지셀과 직접 접촉하고 외면이 모듈 케이스의 방열 지지부재와 직접 접촉하는 금속 소재의 커버를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 셀 케이스는, 하나 이상의 판상형 전지셀이 일면 또는 양면이 개방된 상태에서 장착되는 카트리지와, 전극단자 부위를 제외하고 전지셀을 감싸는 형태로 카트리지에 체결되는 커버를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 카트리지는 전지셀의 외주면을 고정하고 중앙이 개방된 프레임 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 커버의 양측 단부는 카트리지와의 체결을 위해 하향 또는 상향 절곡되어 있는 절곡 체결부를 포함하고 있고, 상기 커버의 절곡 체결부와 카트리지는 조립 체결 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 조립 체결 방식은, 커버의 절곡 체결부에 형성되어 있는 체결구 또는 체결홈과, 절곡 체결부에 대응하여 카트리지에 형성되어 있는 체결홈 또는 체결구에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 단위모듈은 직렬 연결된 둘 이상의 전지셀들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 전극 단자들이 양측 대향 단부들에 형성되어 있는 판상형 전지셀이고, 전극 단자들이 모듈 케이스의 전면 및 후면을 향하도록 측면 방향으로 적층되어 전지셀 적층체를 이루고 있으며,
    상기 모듈 케이스의 본체는 상면 및 양측면이 개방된 상태로 전지셀 적층체의 측면 모서리들을 지지하도록 상향 연장된 측면 지지부들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 측면 지지부에는 전지셀 적층체를 고정하고 기타 전지모듈 또는 디바이스와의 체결을 위해 상하 방향으로 외면에 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 지지부재는 상면이 전지셀 방향으로 노출되고 하면이 외부로 노출되도록 모듈 케이스의 본체에 인서트 사출 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 지지부재는 전지셀의 장착을 위한 요철 구조의 장착부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 방열 지지부재는 금속 소재의 판재인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 방열 지지부재는 전지셀 적층체의 하단과 양측면의 적어도 일부를 감싸도록 양측 단부가 상향 절곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 방열 지지부재의 하단에 장착되는 공냉용 또는 수냉용 열교환 부재를 추가로 포함하고 있고, 충방전시 전지셀로부터 발생한 열이 상기 방열 지지부재를 경유하여 상기 열교환 부재를 통해 열전도에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 1 항에 따른 전지모듈이 하나 이상 팩 케이스에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 또는 전력저장 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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