KR102184169B1 - 배터리 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율적인 냉각 성능이 확보되면서도, 구조가 간단하고 경량화 및 소형화에 용이하며 제조 비용도 절감할 수 있는 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비하고, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 열 전도성 재질로 구성되고, 상기 복수의 이차 전지의 하부에 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치되어 상기 이차 전지의 하부와 접촉하는 쿨링 플레이트; 및 상기 이차 전지의 하부와 상기 쿨링 플레이트의 접촉 열저항 감소를 위한 써멀 인터페이스 재료를 포함하며, 상기 써멀 인터페이스 재료는 부분적으로 두께나 신축율(elongation)이 다르게 적용되어 있다.

Description

배터리 모듈{Battery module}

본 발명은 하나 이상의 이차 전지를 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 간단하고 부피 및 무게가 낮으며 효율적인 냉각 성능이 확보될 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.

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.

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.

일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.

최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 중대형 장치에 이용되는 경우, 용량 및 출력을 높이기 위해 많은 수의 이차 전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하고 무게가 가볍다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.

하지만, 파우치형 이차 전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않고, 그 자체만으로 적층 상태를 유지하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 다수의 파우치형 이차 전지를 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 폴리머 재질의 카트리지를 이용하는 경우가 많다.

카트리지는 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이 때 4개의 변 부분이 파우치형 이차 전지의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고, 이러한 카트리지는 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 이차 전지는 카트리지가 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.

또한, 이러한 카트리지 등을 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 카트리지간 고정을 위한 체결 부품이 필요할 수 있다. 즉, 다수의 이차 전지와 다수의 카트리지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하고자 할 때, 이들을 고정시키기 위해서는 볼트나 벨트와 같은 체결 부품이 있어야 한다. 그리고, 이 경우 카트리지 등에는 체결 부품이 결합될 수 있는 구성, 이를테면 홀 등이 마련될 필요가 있다.

따라서, 종래 배터리 모듈 구성에 의하면, 카트리지나 체결 부품 등을 마련하는 데 추가 비용이 소요되고, 조립이 쉽지 않아 작업성이 떨어질 수 있다. 또한, 이와 같은 카트리지나 체결 부품 등으로 인해 배터리 모듈의 부피가 커져, 배터리 모듈을 소형화하는 데에는 한계가 있다.

그리고, 이차 전지는 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 파우치형 이차 전지를 적층시켜 배터리 모듈을 구성할 때에는 좁은 공간에서 다수의 이차 전지로부터 나오는 열이 합산되어 배터리 모듈의 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다. 따라서, 다수의 이차 전지를 이용하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.

뿐만 아니라, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈은 최소 10년의 장기 수명을 가져야 한다. 이차 전지는 충전과 방전을 반복함에 따라 사용 중 이차 전지가 부풀어 오르는 스웰링(swelling)이 발생하기 쉽고, 스웰링에 의한 이차 전지의 변형에 따라, 이차 전지와 이차 전지 냉각 구조간의 변형 및 틀어짐이 발생하게 된다. 심각한 경우에는 계면 분리까지 되어, 사용 수명 동안에 냉각 성능이 충분히 확보되기 어려운 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 사용 수명 동안에 효율적인 냉각 성능이 확보되면서도, 구조가 간단하고 경량화 및 소형화에 용이하며 제조 비용도 절감할 수 있는 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차를 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 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비하고, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수의 파우치형 이차 전지; 열 전도성 재질로 구성되고, 상기 복수의 이차 전지의 하부에 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치되어 상기 이차 전지의 하부와 접촉하는 쿨링 플레이트; 및 상기 이차 전지의 하부와 상기 쿨링 플레이트의 접촉 열저항 감소를 위한 써멀 인터페이스 재료를 포함하며, 상기 써멀 인터페이스 재료는 부분적으로 두께나 신축율(elongation)이 다르게 적용되어 있다.

배터리 모듈 사용 중 상기 이차 전지 하부와 상기 쿨링 플레이트 사이에 틈이 발생하지 않도록, 상기 써멀 인터페이스 재료는 상기 이차 전지와 상기 쿨링 플레이트의 접촉 계면 형상의 경시변화를 미리 고려하여 적용 위치에 따라 상기 두께나 신축율이 결정되어 있는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 쿨링 플레이트 위로의 써멀 인터페이스 재료 적용 위치를 양쪽 측면 구간과 그 사이의 중심 구간으로 나누어, 측면 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료와 중심 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료의 두께를 다르게 한다. 아니면 측면 구간에만 써멀 인터페이스 재료를 적용하고 중심 구간에는 써멀 인터페이스 재료를 적용하지 않는다. 아니면 측면 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료와 중심 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료의 신축율이 서로 다른 재료를 사용한다.

예를 들어, 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료는 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료보다 두꺼운 두께로 적용되어 있을 수 있다.

다른 예로, 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽으로만 써멀 인터페이스 재료를 적용하고 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽에는 써멀 인터페이스 재료를 적용하지 않은 것일 수도 있다.

또 다른 예로, 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료는 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료보다 높은 신축율을 가진 재료로 적용되어 있는 것일 수도 있다.

여기서, 상기 이차 전지는 상기 써멀 인터페이스 재료를 통해 상기 쿨링 플레이트에 부착 고정될 수 있다.

또한, 상기 써멀 인터페이스 재료는 방열 실리콘계 접착제(thermally conductive silicone-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad) 및 방열 아크릴 접착제(thermally conductive acrylic bond) 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 상기 쿨링 플레이트는 금속 재질로 구성될 수 있다.

또한, 상기 쿨링 플레이트는 상부 표면에 상부 방향으로 볼록부가 하나 이상 형성될 수 있다.

또한, 상기 볼록부는 적어도 일부분이 상부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 경사면이 형성될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는 상기 전극 조립체를 수납하는 수납부 및 상기 파우치 외장재가 실링된 실링부를 구비하고, 상기 수납부의 하부면의 적어도 일부가 상기 볼록부의 상부면에 부착 고정될 수 있다.

또한, 적어도 일부 볼록부는 좌측 상부면과 우측 상부면에 서로 다른 이차 전지가 각각 부착 고정될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는 상기 파우치 외장재의 하부 실링부가, 상기 이차 전지가 부착된 볼록부와 반대 방향으로 1회 이상 폴딩되고, 상기 이차 전지의 폴딩된 실링부는 상기 쿨링 플레이트에서 볼록부에 의해 오목하게 형성된 부분에 수용될 수 있다.

또한, 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지는 하부 실링부가 내측 방향으로 폴딩될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는 파우치 외장재로서 사각 형태로 구성된 좌측 파우치 및 우측 파우치를 구비하되, 상기 좌측 파우치와 상기 우측 파우치는 1개의 변이 미리 연결된 상태에서 접혀지고 나머지 3개의 변이 실링된 형태로 구성되어, 접혀진 1개의 변이 하부에 위치하여 상기 쿨링 플레이트의 상부면에 부착될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지의 하부는 좌우 방향 중심선을 기준으로 좌측과 우측 모두 상기 쿨링 플레이트의 상부면에 접촉될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는 외주부가 2개의 장변과 2개의 단변을 구비하는 직사각형 형태로 구성되어, 1개의 장변 측이 상기 쿨링 플레이트에 부착 고정될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는 넓은 면이 상호간 대면 접촉하도록 적층될 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.

본 발명에 따르면, 다수의 이차 전지를 포함하는 배터리 모듈의 냉각 성능이 향상될 수 있다.

특히, 본 발명에 의하면, 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이에 별도의 카트리지나 쿨링핀이 개재되지 않을 수 있다. 따라서, 이차 전지로부터 열이 발생한 경우, 열은 카트리지나 쿨링핀 등의 다른 구성요소를 거치지 않고 이차 전지로부터 쿨링 플레이트로 직접 전달될 수 있다.

따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 열 전달 경로 상 매개체의 수가 감소하여, 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이의 거리가 가까워지고 매개체간 접촉에 의한 열저항이 감소하여 열 배출 효율이 향상될 수 있다.

더욱이, 본 발명의 일 구성에 의하면, 이차 전지가 쿨링 플레이트에 직접 부착되어, 이차 전지로부터 쿨링 플레이트로 열이 전달되는 경로 상에 공기층이 제거되거나 감소될 수 있으므로, 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 카트리지나 쿨링핀 등의 구성요소가 배터리 모듈에 포함되지 않을 수 있으므로, 배터리 모듈의 구조가 간단해지고 무게 및 부피를 줄이는 데 용이할 수 있다.

또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈 조립 공정이 간소화되고 제조 비용이 절감될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 쿨링 플레이트에 이차 전지가 직접 부착 고정될 수 있다. 따라서, 카트리지 및 이러한 카트리지들을 상호 고정시키기 위한 별도의 체결 부품 등을 별도로 마련하지 않을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이의 접촉 면적을 증대시켜 냉각 성능의 향상을 꾀할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따르면 이차 전지와 쿨링 플레이트의 접촉 계면 형상의 경시변화를 미리 고려하여 써멀 인터페이스 재료를 차등 적용함으로써, 배터리 모듈 사용 중 이차 전지 하부와 쿨링 플레이트 사이에 틈이 발생하지 않는다. 따라서, 사용 중 이차 전지가 부풀어 오르는 스웰링이 발생하더라도 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이의 계면 분리가 방지되어, 열이 전달되는 경로가 유지됨으로써, 최소 10년의 장기 수명을 가져야 하는 차량용 배터리 팩에서도 사용 수명 동안에 냉각 성능이 충분히 확보될 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이다.
도 3은 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함될 수 있는 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 5는 도 4의 구성에 대한 결합 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 파우치형 이차 전지와 쿨링 플레이트의 부착 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 구성에서 파우치형 이차 전지와 쿨링 플레이트를 분리시킨 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 하부 구성 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 파우치형 이차 전지의 구성을 개략적으로 나타내는 우측면도이다.
도 10은 도 9의 파우치형 이차 전지에 대한 분리 사시도이다.
도 11은 도 9에 도시된 파우치형 이차 전지를 포함하는 배터리 모듈의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 12는 도 11의 A5-A5'선에 대한 단면도이다.
도 13은 도 12의 A6 부분에 대한 확대도이다.

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 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 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1의 일부 구성에 대한 분리 사시도이고, 도 3은 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 이차 전지(100), 쿨링 플레이트(200) 및 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 포함할 수 있다.

이차 전지(100)는 하나의 배터리 모듈에 복수 개 구비될 수 있다. 특히, 복수의 이차 전지(100) 각각은 파우치형 이차 전지로 구성될 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지(100)는 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다. 파우치형 이차 전지(100)의 구성에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함될 수 있는 파우치형 이차 전지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이고, 도 5는 도 4의 구성에 대한 결합 사시도이다.

도 4를 참조하면, 전극 조립체(110)는 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 조립체(110)는 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형, 및 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다.

또한, 파우치 외장재(120)는 파우치형 이차 전지(100)의 경우, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 파우치 외장재(120)는 전극 조립체(110)와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체(110)와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은 전극 조립체(110) 및 전해액과 같은 이차 전지(100) 내부의 구성요소나 이차 전지(100) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층과 내부 접착층 사이에 개재될 수 있다.

또한, 파우치 외장재(120)는 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)로 구성될 수 있으며, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122) 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성되어 수납부(I)를 구성할 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 수납부(I)에는 전극 조립체(110)가 수납될 수 있다. 또한, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 외주면에는 실링부(S)가 구비되어 이러한 실링부(S)의 내부 접착층이 서로 접착됨으로써, 전극 조립체(110)가 수용된 수납부가 밀폐되도록 할 수 있다.

한편, 전극 조립체(110)의 각 전극판에는 전극 탭이 구비되며, 하나 이상의 전극 탭(111)이 전극 리드(112)와 연결될 수 있다. 그리고, 전극 리드(112)는 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 실링부(S) 사이에 개재되어 파우치 외장재(120)의 외부로 노출됨으로써, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 파우치형 이차 전지(100)가 채용될 수 있다.

상기 파우치형 이차 전지(100)는 각각 상하 방향으로 세워지는 형태로 수평 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 구성에서 전극 리드(112)가 전체적으로 보이는 측면을 배터리 모듈의 전방 측이라 할 때, 이러한 배터리 모듈의 전방 측에서 배터리 모듈을 바라보면, 파우치형 이차 전지(100)는 넓은 면이 좌우를 향하도록 지면에 수직하게 세워진 형태로 좌우 방향으로 다수 배열될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 파우치형 이차 전지(100)는 수납부의 넓은 외측 표면이 각각 좌우 측을 향하도록 하고, 상부, 하부, 전방 및 후방 측에는 실링부가 위치하도록 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 파우치형 이차 전지(100)는 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향은 특별한 설명이 없는 한, 상기와 같이, 전극 리드(112)가 돌출되어 도면에서 전체적으로 보이는 측면을 전방 측이라 하고, 이러한 전방 측에서 배터리 모듈을 바라볼 때를 기준으로 구분하도록 한다. 즉, 도 1의 구성에서 화살표 A2로 표시된 방향으로 배터리 모듈을 바라보는 것을 기준으로, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하도록 한다.

쿨링 플레이트(200)는 적어도 일부분이 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 따라서, 쿨링 플레이트(200)는 이차 전지(100)에서 열이 발생한 경우 발생된 열을 배터리 모듈의 외측으로 전달하는 역할을 할 수 있다.

특히, 쿨링 플레이트(200)는 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 쿨링 플레이트(200)는 전체적으로 알루미늄이나 구리, 철과 같은 금속의 단일 속성 재질로 이루어지거나, 이들 중 적어도 하나의 합금 재질로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 쿨링 플레이트(200)를 통해 이차 전지(100)의 열을 외부 측으로 효과적으로 전달할 수 있으며, 이차 전지(100)의 강성을 보강하고, 외부 충격 등으로부터 배터리 모듈을 보호할 수 있다.

여기서, 쿨링 플레이트(200)의 하부에는 공기나 물과 같은 냉매가 흐를 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 쿨링 플레이트(200)의 하부로 공기나 물 등을 공급하는 냉매 공급 유닛을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 쿨링 플레이트(200)의 하부로 공기나 물 등의 냉매가 흐르는 경로를 제공하기 위해, 덕트나 파이프와 같은 유로를 더 포함할 수 있다.

쿨링 플레이트(200)는 대략 판상으로 구성되어, 복수의 이차 전지(100)의 하부에 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치될 수 있다. 즉, 쿨링 플레이트(200)는 이차 전지(100)의 적층 방향과 평행한 방향으로 눕혀진 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 수평 방향으로 적층된 다수의 이차 전지(100)는 하나의 쿨링 플레이트(200) 상부에 수직하게 세워진 형태로 안착될 수 있다.

특히, 쿨링 플레이트(200)는 이차 전지(100)의 하부에 접촉한다. 그리고, 쿨링 플레이트(200)는 이차 전지(100)의 하부에 부착될 수 있다. 즉, 상기 이차 전지(100)는 하부가 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 직접 표면 접촉한 상태로 고정될 수 있다.

도 1 내지 도 3에서와 같이, 이차 전지(100)는 좌우 방향으로 상호 적층되도록 배치되며, 각각의 이차 전지(100)는 하부가 쿨링 플레이트(200)에 안착될 수 있다. 이 때, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이에는 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 개재된다.

써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 이차 전지(100)의 하부와 쿨링 플레이트(200)의 접촉 열저항 감소를 위한 것이다. 접촉 열저항이란 서로 다른 물체가 접촉을 하게 되면 발생되는 문제로, 표면 조도로 인하여 원활하게 열이 이동되는 것을 저해하는 요인으로 작용하게 된다. 냉각이 중요한 배터리 모듈에서는, 이와 같이 접촉 열저항을 최소화할 수 있는 재료를 사용하여 전체 시스템의 열성능을 개선시킬 필요가 있다. 접촉 열저항을 줄이기 위한 제품들은 `TIM(Thermal interface material)`이라고 흔히 부르며, 그 종류는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 시트, 방열 패드, 열전도성 접착제, pcm(상변화물질) 등 다양하다.

본 실시예에서 써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 이차 전지(100)의 열을 쿨링 플레이트(200)에 효율적으로 전달하게 하며, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이에서 밀착성을 향상시키기 위하여 탄성 소재로 이루어질 수 있다. 하나의 예로, 실리콘에 열전도성 물질을 조합한 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad)를 사용하여 탄성과 열전도성이 동시에 발휘되는 접촉 계면을 이차 전지(100) 하부와 쿨링 플레이트(200) 사이에 형성할 수 있다.

특히 본 발명에서는 이차 전지(100) 하부가 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 상기 쿨링 플레이트(200)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)의 하부 및/또는 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 열전도성 접착제 타입의 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 도포하고, 이차 전지(100)의 하부를 쿨링 플레이트(200)에 안착시키면, 이러한 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)는 상호 접착 고정될 수 있다.

이를 위해, 써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 방열 실리콘계 접착제(thermally conductive silicone-based bond), 방열 실리콘 패드 및 방열 아크릴 접착제(thermally conductive acrylic bond) 중 어느 하나임이 바람직하다.

방열 실리콘계 접착제, 방열 아크릴 접착제는 1액형 또는 2액형으로 시판되고 있으며 도포 또는 주입의 방법으로 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 계면에 적용할 수 있다. 방열 실리콘 패드는 앞서 언급한 바와 같이 제조되며 양면테이프와 같은 기재 필름과 그 상하부의 이형지를 포함하는 것이어서, 이형지를 제거한 후의 접착 방식으로 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 계면에 적용할 수 있다.

예를 들어, 도포 방식은, 이차 전지(100)의 하부 및/또는 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 접착제 타입의 써멀 인터페이스 재료를 도포한 후, 이차 전지(100)의 하부를 쿨링 플레이트(200)에 안착시켜 수행한다. 주입 방식은 쿨링 플레이트(200)에 홀 등을 미리 형성한 후, 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 이차 전지(100)의 하부를 안착시킨 상태에서 미리 마련된 홀 등을 통해 접착제 타입의 써멀 인터페이스 재료를 쿨링 플레이트(200)와 이차 전지(100) 사이의 계면으로 적용하는 것일 수 있다. 그리고, 패드 타입의 써멀 인터페이스 재료는, 이형지 한쪽을 제거하여 이차 전지(100)의 하부나 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 써멀 인터페이스 재료를 접착한 후 나머지 이형지를 떼어내어 이차 전지(100)의 하부와 쿨링 플레이트(200)의 상부면을 접착하는 식으로 적용할 수 있다. 이러한 써멀 인터페이스 재료를 통해 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)는 상호 접착 고정될 수 있다.

방열 실리콘계 접착제, 방열 실리콘 패드, 방열 아크릴 접착제는 일반적인 접착제에 비해, 열전도율이 높기 때문에, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이에서 열 전달량 및 열 전달속도 등을 더욱 높일 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 쿨링 플레이트(200)를 통한 이차 전지(100)의 열 배출 성능을 보다 향상시켜, 배터리 모듈의 냉각 성능이 보다 개선되도록 할 수 있다.

이 때, 써멀 인터페이스 재료(310)와 써멀 인터페이스 재료(320)는 두께나 신축율(elongation)이 서로 다르다. 배터리 모듈 사용 중 이차 전지(100) 하부와 상기 쿨링 플레이트(200) 사이에 틈이 발생하지 않도록, 써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)의 접촉 계면 형상의 경시변화를 미리 고려하여 적용 위치에 따라 상기 두께나 신축율이 결정되어 있는 것이 바람직하다.

배터리 모듈은 이차 전지의 고정 및 가압 구조에 따라 스웰링 시 쿨링 플레이트(200)와 접촉되어 있는 이차 전지(100) 계면의 형상이 변동될 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 등을 통해 이러한 형상 변화를 미리 검토한 후 써멀 인터페이스 재료의 적용 종류, 부위, 적용량 등을 최적화하여 두께나 신축율이 다른 두 가지 이상의 써멀 인터페이스 재료를 이용하도록 하는 것이다.

예를 들어, 쿨링 플레이트(200) 위로의 써멀 인터페이스 재료 적용 위치를 양쪽 측면 구간과 그 사이의 중심 구간으로 나누어, 측면 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료와 중심 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료의 두께를 다르게 한다. 아니면 측면 구간에만 써멀 인터페이스 재료를 적용하고 중심 구간에는 써멀 인터페이스 재료를 적용하지 않는다. 아니면 측면 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료와 중심 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료의 신축율이 서로 다른 재료를 사용한다. 다른 예로 세 가지 이상의 구간을 두어, 각 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료의 두께나 신축율을 서로 다르게 할 수도 있다.

예를 들어 한 종류의 써멀 인터페이스 재료를 적용한 배터리 모듈에 대한 시뮬레이션을 통해 사용 시간이 지나 EOL에 가까워진 시점에서 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이의 계면 형상 변화를 모사해본다. 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이에 열적 계면이 분리되어 틈이 생긴 부위를 찾아내어 그 틈의 크기를 확인한다. 그 틈의 크기를 보상할 만한 정도로 써멀 인터페이스 재료의 두께를 그 부위만 증가시켜 실제 배터리 모듈 제조시 적용한다. 아니면 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이에 그러한 틈이 발생하지 않도록, 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이에 벌어지려는 힘이 작용해도 그 힘에 따라 늘어날 수 있는 정도의 신축율을 가진 써멀 인터페이스 재료로 변경하여 실제 배터리 모듈 제조시 그 부위만 변경된 써멀 인터페이스 재료로 적용한다.

도 3과 같은 배터리 모듈 구조에서는, 예를 들어, 스웰링 등이 발생하면 EOL 단계에서 배터리 모듈 가운데 부분이 볼록해지면서 쿨링 플레이트(200)는 가운데 부분이 위로 볼록하게 구부러지기 쉽다. 그러면 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지, 즉 최외각 이차 전지들과 쿨링 플레이트 사이가 벌어지기 쉽다.

따라서, 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료(310), 즉 측면 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료(310)는 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료(320), 즉 중심 구간에 적용되는 써멀 인터페이스 재료(320)보다 두꺼운 두께로 적용할 수 있다. 예를 들어 써멀 인터페이스 재료(310, 320)의 종류는 방열 실리콘계 접착제로 동일하지만 써멀 인터페이스 재료(310)의 두께를 써멀 인터페이스 재료(320)의 두께보다 1 ~ 2mm 정도 더 두껍게 적용할 수 있다.

아니면, 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽으로만 써멀 인터페이스 재료(310)를 적용하고 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽에는 써멀 인터페이스 재료를 적용하지 않을 수 있다(“320”이 생략된 구조).

그것도 아니면 두께는 동일하되 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료(310)는 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료(320)보다 높은 신축율을 가진 재료로 적용할 수 있다. 예를 들어 써멀 인터페이스 재료(310)는 신축율이 비교적 높은 방열 실리콘계 접착제인 TN3085이나 SE4420을 적용하고 써멀 인터페이스 재료(320)는 신축율이 이보다는 낮은 방열 실리콘계 접착제인 XE11-B5320이나 EA3800 또는 TC6020을 적용하는 것이다. 시판되는 써멀 인터페이스 재료의 신축율을 고려하였을 때, 써멀 인터페이스 재료(310)의 신축율은 써멀 인터페이스 재료(320)의 신축율에 비해 1.5 ~8배의 크기를 가지는 것에서 시뮬레이션으로 사전 검토한 틈의 크기 및 재료비를 고려하여 선정할 수 있다.

이와 같이 부분적으로 써멀 인터페이스 재료 두께나 신축율에 있어서 차이를 두면 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)의 접촉 계면 형상의 경시변화가 일어나도 써멀 인터페이스 재료가 그 변화를 상쇄할 정도의 두께를 가지고 있거나 늘어나는 대응을 해 주므로 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)의 접촉 계면의 분리를 방지할 수 있게 된다.

중심 구간은 써멀 인터페이스 재료를 적용하지 않거나 최소화로 적용하여 작은 두께로 하고 측면 구간은 적용량을 늘려 두꺼운 두께로 하면 경시변화에 대응을 할 수 있을 뿐 아니라 재료비를 절감할 수 있다. 그리고 균일한 두께로 도포해야 할 경우에 비하여 공정비를 절감할 수 있다(실제 넓은 면적에 대하여 한 종류의 재료를 균일한 두께로 도포하는 것은 상당히 어렵다).

또한, 신축율이 높은 재료는 그렇지 않은 재료보다 고가인 경우가 많으므로 신축율이 높은 고가의 재료를 측면 구간에만 적용하고 중심 구간은 저가의 재료를 적용하는 경우에도 재료비를 절감하면서 원하는 냉각 성능을 충분히 확보할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)의 부착 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 6은 도 3의 A3 부분에 대한 확대 구성의 일례라 할 수 있다.

도 6을 참조하면, 이차 전지(100)는 좌우 방향으로 상호 적층되도록 배치되며, 각각의 이차 전지(100)는 하부가 쿨링 플레이트(200)에 안착될 수 있다. 이 때, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이에는 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 개재된다. 이차 전지(100)는 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 상기 쿨링 플레이트(200)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)의 하부 및/또는 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 페이스트 타입의 방열 실리콘계 접착제와 같은 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 주입되고, 이러한 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)는 상호 접착 고정될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)는 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 쿨링 플레이트(200)에 간단하게 고정될 수 있으며, 이차 전지(100)를 고정시키기 위한 볼트와 같은 체결 부품이나 카트리지 등의 구성요소를 배터리 모듈에 포함시키지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 모듈의 구조 및 조립이 간단해지고, 부품을 줄일 수 있다.

또한, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 거리를 가깝게 하고, 구성 요소간 접촉 개수를 줄임으로써, 이차 전지(100)에서 생성된 열이 쿨링 플레이트(200)로 보다 효과적으로 전달되도록 할 수 있다. 더욱이, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이 공간에서 공기층을 배제하거나 줄일 수 있으므로, 공기층으로 인한 열 전달 저하를 방지할 수 있다.

써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 앞서 설명한 바와 같이 적용 위치에 따라 두께나 신축율이 서로 다르다. 써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 상기 이차 전지(100)와 상기 쿨링 플레이트(200)의 접촉 계면 형상의 경시변화를 미리 고려하여 적용 위치에 따라 상기 두께나 신축율이 결정되어 있으므로, 배터리 모듈 사용 중 이차 전지(100) 하부와 쿨링 플레이트(200) 사이에 틈이 발생하지 않도록 할 수 있다.

바람직하게는 쿨링 플레이트(200)는 이차 전지(100)가 안착되는 표면에 볼록부가 형성될 수 있다.

도 7은 도 6의 구성에서 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)를 분리시킨 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 다만, 설명의 편의를 위해, 도 7에서는 써멀 인터페이스 재료를 도시하지 않도록 한다.

도 7을 참조하면, 쿨링 플레이트(200)는 P로 표시된 바와 같이, 상부 표면에 상부 방향으로 돌출되게 형성된 볼록부가 구비될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 볼록부(P)에 의해 이차 전지(100)의 안착 위치가 가이드되어 배터리 모듈의 조립성이 향상될 수 있다. 또한, 볼록부(P)에 의해, 이차 전지(100)의 좌우 유동이 억제되어, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)간 결합력이 보다 향상될 수 있다. 또한, 동일한 수평 길이에서도 볼록부(P)에 의해 쿨링 플레이트(200)의 상부 면적이 증대될 수 있으므로, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)의 접촉 부분이 더욱 넓어질 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)로부터 쿨링 플레이트(200)로 열이 전달되는 양 및 속도를 증가시켜 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.

볼록부(P)는 도 3 등에 도시된 바와 같이, 하나의 쿨링 플레이트(200) 상에 복수 개 구비될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 복수의 볼록부(P)를 통해 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)간 결합력이 보다 강화되고, 접촉 면적이 보다 증가할 수 있다. 특히, 배터리 모듈에 다소 많은 개수의 이차 전지(100), 이를테면 5개 이상의 이차 전지(100)가 포함된 경우, 모든 이차 전지(100)가 볼록부(P)에 인접되도록, 볼록부(P)는 다수 구비되는 것이 좋다.

또한, 볼록부(P)는 도 2에 도시된 바와 같이, 쿨링 플레이트(200)의 상부면에서 전후 방향으로 길게 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 볼록부(P)는 이차 전지(100)의 하부 변이 이루는 길이 방향에 평행한 방향으로, 쿨링 플레이트(200)의 전단부에서 후단부에 이르기까지 길게 연장되게 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 쿨링 플레이트(200)의 표면적을 보다 많이 늘림으로써 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 접촉 면적을 넓힐 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 고정력 및 열 전달이 향상될 수 있다.

또한, 바람직하게는 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)는 적어도 일부분이 상부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다. 그리고, 이 경우, 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)에는 도 7에서 D1 및 D2로 표시된 바와 같이, 쿨링 플레이트(200)가 놓인 지면에서 소정 각도 기울어진 형태로 경사면이 형성될 수 있다. 예를 들어, 볼록부(P)의 상부는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 방향으로 갈수록 좌우 방향 폭이 좁아지는 삼각형 형태로 형성될 수 있다. 특히, 볼록부(P)는 수평 방향으로 평평한 부분이 구비되지 않도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)가 보다 밀착된 상태로 결합될 수 있다. 즉, 상기 실시예에 의하면, 쿨링 플레이트(200)의 상부에 이차 전지(100)를 안착시킬 때, 이차 전지(100)는 쿨링 플레이트(200)에 형성된 볼록부의 경사면을 따라 아래 방향으로 이동할 수 있으며, 이로 인해 이차 전지(100)는 쿨링 플레이트(200)에 최대한 가까워지게 구성될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 거리는 줄어들고 그 사이의 결합력은 더욱 향상될 수 있어, 냉각 성능이 더욱 증대될 수 있다.

여기서, 볼록부(P)의 외측에 형성된 경사면은 평평한 형태로 형성될 수 있다. 즉, 볼록부(P)의 경사면은 곡면이나 요철 형태가 아닌 평면 형태로 형성됨으로써, 이차 전지(100)가 볼록부(P)의 경사면을 따라 원활하게 최대한 하부 방향으로 이동되도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)가 쿨링 플레이트(200)에 최대한 밀착되게 구성될 수 있다.

한편, 이차 전지(100)는 앞서 설명한 바와 같이 전극 조립체를 수납하는 수납부(I)와 파우치 외장재가 열융착 등으로 실링된 실링부(S)를 구비할 수 있다. 이 때, 수납부(I)와 실링부(S)는 외측 두께(도 7의 좌우 방향 길이)가 서로 다르게 구성될 수 있다. 즉, 파우치형 이차 전지(100)의 경우, 수납부(I)는 실링부(S)보다 통상적으로 두껍게 구성될 수 있으며, 이로 인해 수납부와 실링부 사이에는 단차가 형성될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)는 상하 방향으로 세워지는 경우, 수납부의 하부 및 상부의 상당 부분이 실링부에 의해 커버되지 않고 노출될 수 있다.

이 때, 이차 전지(100)는 이러한 수납부의 하부 중 적어도 일부가 볼록부의 경사면에 부착 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 6에서 A4로 표시된 부분과 같이, 이차 전지(100)의 수납부의 하부면과 쿨링 플레이트(200)의 볼록부 경사면 사이에는 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 개재됨으로써, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)는 상호 접착 고정될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 결합력이 보다 강화될 수 있다. 즉, 볼록부의 경사면은 지면에 평행한 방향에서 소정 각도 기울어진 형태로 구성되어, 이차 전지(100)의 상하 방향 움직임 및 좌우 방향 움직임을 모두 억제할 수 있다. 따라서, 이러한 볼록부의 경사면에 이차 전지(100)가 접착되는 경우, 하나의 접착 구성으로 이차 전지(100)의 상하 및 좌우 방향 유동을 최대한 제한할 수 있다.

또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 좌우 방향으로 수평하게 놓인 쿨링 플레이트(200)와 상하 방향으로 수직하게 세워진 이차 전지(100) 사이에서, 최대한 넓은 접촉 면적을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 접착력이 안정적으로 확보되고, 양자간 열 전달 효율이 효과적으로 증대될 수 있다.

더욱이, 이러한 이차 전지(100)의 수납부의 하부면과 쿨링 플레이트(200)의 볼록부의 경사면이 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 접착될 수 있으므로, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 열 전달 효율은 더욱 향상될 수 있다.

바람직하게는 적어도 일부의 볼록부(P)는 좌측 상부면과 우측 상부면에 서로 다른 이차 전지(100)가 각각 부착 고정될 수 있다. 예를 들어, 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상단 꼭지점을 중심으로 좌측과 우측에 각각 경사면(D1, D2)이 형성되게 구성될 수 있다. 특히, 좌측 경사면(D1)과 우측 경사면(D2)은 경사 방향은 서로 반대이되 각도의 절대값은 동일하고, 경사면의 길이 또한, 동일하게 구성될 수 있다.

이와 같은 구성에 있어서, 볼록부(P)의 좌측 경사면(D1)과 우측 경사면(D2)에는 서로 다른 이차 전지(100)가 부착 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 구성에서, 볼록부(P)의 좌측 경사면(D1)에는 좌측 이차 전지(100)인 C1의 수납부의 우측 하부면이 접착될 수 있고, 볼록부(P)의 우측 경사면(D2)에는 우측 이차 전지(100)인 C2의 수납부의 좌측 하부면이 접착될 수 있다.

이 경우, 하나의 볼록부(P)를 기준으로 인접하는 2개의 이차 전지(100)가 서로 접착 고정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 적은 개수의 볼록부(P)로 많은 개수의 이차 전지(100)가 부착 고정되도록 할 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)가 배터리 모듈에 짝수 개 포함된 경우, 상기 볼록부(P)는 이차 전지(100) 전체 개수의 절반(1/2)의 개수로 쿨링 플레이트(200)에 형성될 수 있다. 이를테면, 도 3에 도시된 구성과 같이, 배터리 모듈에 12개의 이차 전지(100)가 포함된 경우, 볼록부(P)는 쿨링 플레이트(200)에 6개 구비될 수 있다. 또한, 이차 전지(100)가 배터리 모듈에 홀수 개 포함된 경우, 상기 볼록부(P)는 이차 전지(100) 전체 개수의 절반(1/2)보다 하나 더 많은 개수로 쿨링 플레이트(200)에 형성될 수 있다. 이와 같은 구성의 경우, 모든 이차 전지(100)가 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)에 부착 고정되도록 할 수 있다.

한편, 도 4에서와 같이 이차 전지(100)는 각 변에 실링부(S)를 구비할 수 있다. 이 때, 이차 전지(100)의 실링부(S)는 폴딩될 수 있다. 특히, 이차 전지(100)는 하부 실링부 및 상부 실링부가 폴딩될 수 있다. 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 실링부의 폴딩으로 인해 배터리 모듈의 전체적인 크기를 감소시키고, 특히 이차 전지(100)의 수납부와 쿨링 플레이트(200) 사이의 거리를 줄일 수 있다.

특히, 이차 전지(100)는 하부 실링부가 볼록부와 반대 방향으로 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, C1 이차 전지는 우측 하부에 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)가 위치하여 수납부의 우측 하부면이 볼록부의 경사면에 부착될 수 있다. 이 때, C1 이차 전지의 하부 실링부는 볼록부(P)와 반대 방향인 좌측 방향으로 폴딩될 수 있다. 또한, C2 이차 전지는 좌측 하부에 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)가 위치하고, 실링부는 C2 이차 전지가 부착된 볼록부(P)와 반대 방향인 우측 방향으로 폴딩될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)의 수납부와 쿨링 플레이트(200) 사이에 폴딩부가 개재되지 않고 상호간 직접 접촉하는 부분이 존재할 수 있다. 따라서, 수납부에서 발생하는 열이 쿨링 플레이트(200)로 효과적으로 전달되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 쿨링 플레이트(200)에 대한 이차 전지(100)의 고정력이 안정적으로 확보될 수 있다.

더욱이, 이차 전지(100)의 실링부(S)는 1회 이상 폴딩될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)의 하부 실링부는 도 6 등에 도시된 바와 같이, 2회 폴딩될 수 있다. 특히, 실링부가 다수 회 폴딩된 구성에 의하면, 실링부의 융착 부분을 통해 이차 전지(100) 내부로 수분 등 이물질이 침투하거나 이차 전지(100) 내부에서 전해액이 누출되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 실시예와 같이, 이차 전지(100)의 하부 실링부가 폴딩된 경우, 폴딩된 하부 실링부는 쿨링 플레이트(200)에서 볼록부(P)에 의해 오목하게 형성된 부분에 수용될 수 있다.

예를 들어, 쿨링 플레이트(200)에 다수의 볼록부(P)가 형성된 경우, 이러한 볼록부(P) 사이에는 도 7에서 G로 표시된 부분과 같이, 하부 방향으로 오목한 형태의 오목부가 형성될 수 있다. 이 때, 이차 전지(100)의 폴딩된 하부 실링부는 이러한 오목부(G)에 수용될 수 있다.

또한, 바람직하게는 최외측 이차 전지(100)는 실링부가 내측 방향으로 폴딩되는 것이 좋다. 예를 들어, 도 3의 구성에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지(100) 중 가장 우측에 위치한 이차 전지는 상부 및 하부 실링부가 내측 방향인 좌측 방향으로 폴딩될 수 있다. 그리고, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지 중 가장 좌측에 위치한 이차 전지는 상부 및 하부 실링부가 내측 방향인 우측 방향으로 폴딩될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 쿨링 플레이트(200)의 외측 볼록부(P)에 이차 전지(100)의 실링부가 아닌 수납부가 부착되도록 함으로써, 최외측 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 고정력이 강화되도록 할 수 있다. 또한, 실링부가 배터리 모듈의 외측으로 노출되지 않도록 함으로써, 실링부를 통해 최외측 이차 전지(100)의 내부로 수분이나 각종 이물질의 침투를 방지할 수 있다.

한편, 상기 여러 실시예에서는 이차 전지(100)가 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)에만 부착되는 구성을 위주로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 하부 구성 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 이를테면, 도 8의 경우, 도 3의 A3 부분에 대한 다른 예라 할 수 있다.

도 8을 참조하면, 써멀 인터페이스 재료(310, 320)는 쿨링 플레이트(200)의 볼록부(P)의 상부면, 즉 경사면뿐 아니라, 볼록부의 수직면에도 구비될 수 있다. 또한, 접착제는 쿨링 플레이트(200)에서 볼록부 이외의 부분, 이를테면 볼록부 사이의 오목부(G)의 적어도 일부에도 구비될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)는 수납부와 함께 실링부도 쿨링 플레이트(200)에 접착되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통한 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 접촉 면적이 증가하므로, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 결합력이 향상되고, 열 전달 효율이 증대될 수 있다. 더욱이, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 열 전달 경로에서 더 많은 부분의 공기층이 제거됨으로써, 공기층으로 인한 열저항은 더욱 감소할 수 있다. 또한, 쿨링 플레이트(200)에 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 도포할 때, 경사면만 도포하지 않고 쿨링 플레이트(200)의 상부면 전체를 도포하면 되므로, 접착제 등의 도포 공정성이 향상될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에 포함되는 이차 전지(100)의 구성을 개략적으로 나타내는 우측면도이고, 도 10은 도 9의 이차 전지(100)에 대한 분리 사시도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 이차 전지(100)는 3면이 실링되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 이차 전지(100)는 도 9에 도시된 바와 같이, 우측에서 좌측 방향으로 바라볼 때, 4개의 변을 갖는 사각형 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 4개의 각 변에 대해서는 도면에 도시된 바와 같이, E1, E2, E3 및 E4로 나타내도록 한다. 이 때, 4개의 변 중 3개의 변, 즉 E1, E2 및 E3는 실링되고, 나머지 1개의 변인 E4는 실링되지 않도록 구성될 수 있다.

이 때, 이차 전지(100)는 도 10에 도시된 바와 같이, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)로 구성되되, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)는 물리적으로 분리된 형태가 아니라, 일부분이 결합되어 있는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 11에서, 좌측 파우치(121)의 한 변인 E4와 우측 파우치(122)의 한 변인 E4'는 서로 연결된 형태로 제조될 수 있다. 그리고, 이러한 좌측 파우치(121)의 E4 변과 우측 파우치(122)의 E4' 변은 상호 연결된 부분을 중심으로 접혀지게 구성될 수 있다. 다시 말해, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)는 한 변이 서로 연결된 상태로 회전하여 접혀지는 형태로 구성될 수 있다.

그리고, 좌측 파우치(121)와 우측 파우치(122)의 수납부에 전극 조립체가 수납되면, 서로 연결되지 않은 3개의 변, 즉 좌측 파우치(121)의 E1~E3 변과 우측 파우치(122)의 E1'~E3' 변은 서로 열융착 등의 방식으로 실링될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시예의 경우, 파우치 외장재에서 실링되지 않고 접히는 변인 E4는 실링되는 변인 E1~E3에 비해 좁은 폭으로 구성될 수 있다. 따라서, E4 변 부분의 경우, 다른 변들에 비해 수납부가 이차 전지(100)의 외측부와 가깝게 구성될 수 있다.

도 11은 도 9에 도시된 이차 전지(100)를 포함하는 배터리 모듈의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 12는 도 11의 A5-A5'선에 대한 단면도이다. 이하에서는 앞선 실시예가 유사하게 설명될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하도록 한다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 배터리 모듈에서, 이차 전지(100)는 실링되지 않는 1개의 변이 하부에 위치하여 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 부착되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100)는 도 9의 구성에서 E4로 표시된 부분의 변이 하부에 위치함으로써, 이러한 E4 변이 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 안착하여 접촉되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)의 수납부와 쿨링 플레이트(200)가 더욱 가깝게 위치할 수 있다. 즉, 실링되지 않는 변은 실링되는 변에 비해 짧게 구성될 수 있으므로, 수납부에 수납된 전극 조립체와 쿨링 플레이트(200)가 더욱 가깝게 위치할 수 있다. 또한, 실링되지 않는 변(E4)의 경우, 짧은 폭으로 인해 실링부가 폴딩될 필요가 없으므로, 폴딩된 실링부가 이차 전지의 수납부와 쿨링 플레이트 사이에 개재되는 구성이 형성되지 않을 수 있다. 그러므로, 전극 조립체에서 발생한 열이 쿨링 플레이트(200)로 보다 신속하고 원활하게 전달될 수 있다.

특히, 이러한 실시예에 있어서, 이차 전지(100)의 하부는 보다 넓은 면적으로 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 부착될 수 있다. 이에 대해서는 도 13을 참조하여, 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

도 13은 도 12의 A6 부분에 대한 확대도이다.

도 13을 참조하면, 이차 전지(100)는 하부가 좌우 방향 중심선을 기준으로 좌측과 우측 모두 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 접촉되게 구성될 수 있다. 즉, 상하 방향으로 세워진 형태의 이차 전지(100)에 대하여 좌우 방향 중심선을 F라 할 때, 이차 전지(100)의 하부면은 F선의 좌측과 우측에서 쿨링 플레이트(200)의 상부면에 접촉될 수 있다.

이 경우, 이차 전지(100) 측에서 발생한 열은 화살표 A7 및 A7'로 표시된 바와 같이, 좌측 하부면과 우측 하부면 모두를 통해 쿨링 플레이트(200)로 전달될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 접촉 면적이 증가하여 열 전달 효율이 향상될 수 있다.

또한, 이와 같은 구성에 있어서, 이차 전지(100)의 좌측 하부면과 우측 하부면의 하부에는 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 구비되어, 쿨링 플레이트(200)와 접착되도록 할 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 고정력이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 상기와 같은 이차 전지(100) 구성에 있어서, 실링되지 않는 변이라 하더라도 수납부로부터는 약간 하부 방향으로 돌출되게 구성될 수 있다. 따라서, 상기 쿨링 플레이트(200)는 실링되지 않는 변이 삽입될 수 있도록, 도 13에서 H로 표시된 바와 같이, 슬릿이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 슬릿은 쿨링 플레이트(200)에서 전후 방향으로 길게 형성될 수 있다.

이차 전지(100)는 눕혀진 상태로 상부에서 하부 방향으로 바라볼 때, 대략 직사각형 형태로 구성될 수 있다. 이 때, 이차 전지(100)의 외주부는 2개의 장변과 2개의 단변을 구비한다고 할 수 있다. 예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시된 바를 참조하면, 이차 전지(100)는 테두리부에 있어서 4개의 변(E1, E2, E3, E4)을 갖는데, 그 중 2개의 변(E1, E3)은 길이가 짧고, 나머지 2개의 변(E2, E4)은 상대적으로 길이가 길 수 있다. 이 때, 이차 전지(100)는 길이가 긴 2개의 변(E2, E4) 중 적어도 하나의 장변이 쿨링 플레이트(200)에 부착 고정되게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9 및 도 10에 도시된 구성에서, 다수의 이차 전지(100)가 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 적층되되, 각 이차 전지(100)는 2개의 장변(E2, E4)이 상부 측과 하부 측에 위치하고, 2개의 단변(E1, E3)이 전방 측과 후방 측에 위치하도록 구성될 수 있다. 그리고, 각 이차 전지(100)의 하부 장변(E4)은 써멀 인터페이스 재료(310, 320)를 통해 쿨링 플레이트(200)에 부착될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 이차 전지(100) 외주부의 장변 부분이 쿨링 플레이트(200)에 부착됨으로써, 고정력이 보다 향상될 수 있다. 또한, 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200)가 보다 넓은 면적에서 직접 접촉되도록 함으로써 이차 전지(100)와 쿨링 플레이트(200) 사이의 열 전달 효율이 보다 향상되도록 할 수 있다. 더욱이, 이차 전지(100)의 단변에는 전극 리드(112)가 돌출될 수 있으므로, 이러한 단변 부분에 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 개재되기보다는 장변 부분에 써멀 인터페이스 재료(310, 320)가 개재되는 것이 좋다.

또한, 상기 이차 전지(100)는 넓은 면이 상호간 대면 접촉하도록 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 12에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100)가 좌우 방향으로 적층 배치될 때, 각 이차 전지(100)의 넓은 면, 즉 수납부의 외측면은 좌우 방향에 위치하고, 각각의 수납부의 외측면은 인접하는 이차 전지(100)의 수납부의 외측면과 대면 접촉되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 소형화 및 경량화를 달성하는데 용이할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 모든 이차 전지(100)는 하부에 위치한 쿨링 플레이트(200)와 직접 열교환을 할 수 있다. 따라서, 종래 배터리 모듈 구성과 같이, 이차 전지(100) 사이에 쿨링 핀이 존재하는 형태로 구성되지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 이차 전지(100)끼리 직접 대면 접촉될 수 있으며, 이로 인해, 컴팩트하고 가벼우며 구조가 간단하게 구성될 수 있다.

특히 부분적으로 두께나 신축율이 다른 써멀 인터페이스 재료를 적용함으로써 이차 전지 스웰링에 따른 접촉면 이탈로 인한 냉각 성능 감소의 우려가 없고 장기 사용시 열적 계면 분리에 대한 신뢰성이 확보된다. 부위별 스웰링 등 경시변화에 따라 최적화된 써멀 인터페이스 재료를 적용함으로써 재료비 절감이 가능하며, 냉각 계면의 형상 변동에 따른 냉각 불균일 현상 해소를 통해 냉각 성능이 최적화되는 효과가 있다.

본 발명에 따른 배터리 팩은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은 이러한 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등을 더 포함할 수 있다.

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. 특히, 전기 자동차와 같이 배터리로부터 구동력을 얻는 자동차의 경우, 배터리 모듈의 냉각 성능은 매우 중요하다. 따라서, 이러한 자동차에 본 발명에 따른 배터리 모듈이 적용되는 경우, 효과적인 냉각 성능으로 안정적이고 안전한 배터리 모듈이 제공될 수 있다. 특히 최소 10년이라는 장기 수명 동안에 이차 전지와 쿨링 플레이트 사이의 열적 계면 분리가 일어남이 없이 냉각 성능을 확보하는 효과가 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.

한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 상대적인 위치를 나타내는 것으로서 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

100: 이차 전지 110: 전극 조립체
111: 전극 탭 112: 전극 리드
120: 파우치 외장재 121: 좌측 파우치
122: 우측 파우치 200: 쿨링 플레이트
310, 320: 써멀 인터페이스 재료

Claims (14)

1. 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비하고, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방향으로 배열된 복수의 파우치형 이차 전지;
   열 전도성 재질로 구성되고, 상기 복수의 이차 전지의 하부에 수평 방향으로 눕혀진 형태로 배치되어 상기 이차 전지의 하부와 접촉하는 하나의 쿨링 플레이트; 및 상기 이차 전지의 하부와 상기 쿨링 플레이트의 접촉 열저항 감소를 위한 써멀 인터페이스 재료를 포함하며,
   가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료는 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료보다 두꺼운 두께로 적용되어 있거나,
   가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료는 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽의 써멀 인터페이스 재료보다 높은 신축율(elongation)을 가진 재료로 적용되어 있어,
   배터리 모듈 사용 중 안쪽에 위치한 이차 전지 쪽에 스웰링 발생하더라도 가장 좌측에 위치한 이차 전지 및 가장 우측에 위치한 이차 전지와 상기 쿨링 플레이트 사이가 벌어지지 않도록 한 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 이차 전지는 상기 써멀 인터페이스 재료를 통해 상기 쿨링 플레이트에 부착 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
7. 제1항에 있어서, 상기 써멀 인터페이스 재료는 방열 실리콘계 접착제(thermally conductive silicone-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad) 및 방열 아크릴 접착제(thermally conductive acrylic bond) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
8. 제1항에 있어서, 상기 쿨링 플레이트는 상부 표면에 상부 방향으로 볼록부가 하나 이상 형성되고,
   상기 이차 전지는 상기 전극 조립체를 수납하는 수납부 및 상기 파우치 외장재가 실링된 실링부를 구비하며,
   상기 수납부의 하부면의 적어도 일부가 상기 볼록부의 상부면에 부착 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
9. 제8항에 있어서, 적어도 일부 볼록부는 좌측 상부면과 우측 상부면에 서로 다른 이차 전지가 각각 부착 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
10. 제8항에 있어서, 상기 이차 전지는 상기 파우치 외장재의 하부 실링부가 상기 이차 전지가 부착된 볼록부와 반대 방향으로 1회 이상 폴딩되고,
    상기 이차 전지의 폴딩된 실링부는 상기 쿨링 플레이트에서 볼록부에 의해 오목하게 형성된 부분에 수용되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
11. 제1항에 있어서, 상기 이차 전지는 파우치 외장재로서 사각 형태로 구성된 좌측 파우치 및 우측 파우치를 구비하되,
    상기 좌측 파우치와 상기 우측 파우치는 1개의 변이 미리 연결된 상태에서 접혀지고 나머지 3개의 변이 실링된 형태로 구성되어, 접혀진 1개의 변이 하부에 위치하여 상기 쿨링 플레이트의 상부면에 부착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
12. 제11항에 있어서, 상기 이차 전지의 하부는 좌우 방향 중심선을 기준으로 좌측과 우측 모두 상기 쿨링 플레이트의 상부면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
13. 제1항 또는 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
14. 제1항 또는 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.

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