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WO2019235724A1 - 개선된 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈 - Google Patents

개선된 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈 Download PDF

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WO2019235724A1
WO2019235724A1 PCT/KR2019/002747 KR2019002747W WO2019235724A1 WO 2019235724 A1 WO2019235724 A1 WO 2019235724A1 KR 2019002747 W KR2019002747 W KR 2019002747W WO 2019235724 A1 WO2019235724 A1 WO 2019235724A1
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WO
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spacer
base plate
cell stack
empty space
battery module
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PCT/KR2019/002747
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English (en)
French (fr)
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서성원
강달모
문정오
이윤구
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 ES19814466T priority patent/ES3037355T3/es
Priority to JP2020528094A priority patent/JP7082665B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module having an improved cooling structure, and more particularly, by using insulating oil for cooling, and having an cooling structure such that the insulating oil can be in direct contact with the battery cell, improved cooling efficiency is achieved. It relates to a battery module having.
  • водородн ⁇ е ⁇ е ⁇ ество Commercially available secondary batteries include nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, nickel zinc batteries, and lithium secondary batteries. Among them, lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, and thus are free of charge and discharge. The self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and a packaging material that seals the electrode assembly together with the electrolyte solution, that is, a battery case.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • secondary batteries are widely used not only in small devices such as portable electronic devices but also in medium and large devices such as automobiles and power storage devices.
  • a large number of secondary batteries are electrically connected to increase capacity and output.
  • a pouch-type cell is widely used in such a medium-large size device because of its easy stacking.
  • the pouch type cell is generally packaged in a battery case of a laminate sheet of aluminum and a polymer resin, so that the mechanical rigidity is not large. Therefore, when constructing a battery module including a plurality of pouch-type cells, a frame is often used to protect the secondary battery from external shocks, to prevent the flow thereof, and to facilitate lamination.
  • the frame may be replaced with various other terms such as a cartridge.
  • the frame may be formed in a rectangular plate shape in which the center part is empty.
  • the four side parts are configured to surround the outer circumference of the pouch type cell.
  • the pouch-type cell may be located in the empty space inside when the frame is stacked.
  • FIG. 1 a conventional battery module structure is shown.
  • Such a conventional battery module structure when a plurality of pouch type cells (1) are stacked using a plurality of frames (2), a plate form on the outer surface of each of the pair of pouch type cells (1) By applying the cooling fins 3, the cooling efficiency is increased.
  • the secondary battery may be used in a high temperature environment such as summer, and heat may also be generated in the secondary battery itself.
  • the temperature of the secondary battery may be further increased. If the temperature is higher than an appropriate temperature, the performance of the secondary battery may be degraded, and in severe cases, there is a risk of explosion or fire. Therefore, when constructing the battery module, by applying the cooling fins 3 to be in contact with the face of the pouch type cell 1 and bringing the cooling fins 3 into contact with the cooling plate 4 located thereunder. Many configurations are used to prevent the overall temperature rise.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a battery module having a cooling structure capable of direct contact between a cooling medium and a battery cell for cooling, thereby increasing the amount of heat generated by application of a high capacity and / or high power battery module. It is an object of the present invention to allow cooling to be efficiently performed.
  • a battery module a cell stack formed by stacking a plurality of battery cells; And a module housing accommodating the cell stack, the module housing comprising a lower housing, a pair of side housings, a pair of front and rear housings, and an upper housing respectively covering the lower, both side, front, and top of the cell stack.
  • the lower housing may include: a base plate having a hole section forming a flow path in at least one side region along a length direction and covering the lower surface of the cell stack; And a plurality of spacers disposed on the base plate at predetermined intervals and supporting the cell stack spaced apart from the base plate surface to form an empty space between the cell stack and the base plate.
  • the silver may communicate with the empty space such that a cooling medium is supplied to the empty space.
  • the plurality of spacers may be provided at one side and the other side in the longitudinal direction of the base plate, respectively, and both ends of the first spacer and the second spacer which extend along the width direction of the base plate to be in contact with both side regions of the base plate. It may include.
  • the plurality of spacers may further include at least one third spacer spaced apart from the first spacer and the second spacer.
  • the at least one side region of the base plate is defined by a first side portion and a second side portion corresponding to mutually opposing side regions, and the hole section is formed between the first spacer and the third spacer outside the base plate.
  • a first section formed in the first side portion in communication with a first empty space located;
  • a second section formed in the second side portion in communication from the first empty space to a second empty space located between the third spacer and the second spacer;
  • a third section formed in the first side surface portion to communicate with the outside of the base plate in the second empty space.
  • the third spacer may include a third spacer flow passage formed through the inside to allow the cooling medium to pass therethrough.
  • a first cooling pipe having a first spacer flow path and a second spacer flow path formed through the first spacer and the second spacer, respectively, and connecting the hole section and the first spacer flow path; And a second cooling pipe connecting the hole section and the second spacer flow path.
  • the at least one side region of the base plate is defined by a first side portion and a second side portion corresponding to mutually opposite side regions, wherein the first and second side portions are formed higher than other portions of the base plate, and the side portions
  • the lower end of the housing may further include a coupling groove provided to engage with the engaging projection formed to protrude downward.
  • the first and second side parts may further include a leakage preventing protrusion protruding in a form extending toward the cell stack to contact the outermost cell of the cell stack.
  • An adhesive may be interposed between the cell stack and the spacer so that a cooling medium does not leak between the cell stack and the spacer.
  • It may further include a supply pipe and a discharge pipe connected to one side and the other side of the hole section of the base plate for flowing in and out the cooling medium into the empty space.
  • a battery pack in which a plurality of the above-described battery modules are connected and implemented may be provided.
  • an automobile having the battery pack may be provided.
  • a battery module with a cooling structure capable of direct contact between the cooling medium and the battery cell for cooling is efficiently cooled even in the heat generation increase according to the application of a high capacity and / or high power battery module.
  • a high capacity and / or high power battery module In addition to improving the performance of the battery module, it is also possible to bring about the effect of preventing safety accidents such as the explosion or explosion of the battery cell due to the temperature rise.
  • FIG. 1 is a view showing a cooling structure employed in a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an appearance of a battery module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a cell stack, a lower housing, and a side housing in a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a lower housing structure for inducing the flow of the cooling medium according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA ′ and E-E ′ of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line BB ′ and DD ′ of FIG. 2.
  • FIG. 9 are enlarged views of both sides of the base plate of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line CC ′ of FIG. 2.
  • FIG. 11 are enlarged views of both side regions of the base plate of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a view corresponding to FIG. 5 showing a lower housing structure for inducing a flow of a cooling medium according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an enlarged view of a main part of FIG. 12.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a portion of the first to third spacers according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 components of the battery module according to an exemplary embodiment of the present invention will be described schematically.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a battery module according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an exploded perspective view of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 10 is implemented in a form including a cell stack 100 and a module housing 20 for receiving the same.
  • the module housing 20 includes a lower housing 200, a pair of side housings 300, a pair of front and rear housings 400, and an upper housing 500.
  • the cell stack 100 is obtained by stacking a plurality of battery cells 110.
  • the battery cell 110 used herein is not particularly limited as long as it is a secondary battery capable of charging and discharging.
  • a pouch type battery cell 110 may be applied.
  • Each of the battery cells 110 may include a pair of electrode leads 111 extending to one side and the other side, and the electrode leads 111 may include a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • a space between the battery cells 110 forming the cell stack 100 is provided by a cooling medium such as insulating oil contacting the lower portion of the cell stack 100 as described below. It is preferable to be firmly fixed / closed by an adhesive or the like so as not to penetrate upward through the upper portion.
  • the electrode leads 111 may be arranged / connected such that the battery cells 110 constituting the cell stack 100 form a series connection, a parallel connection, or a combination of a series and a parallel connection with each other.
  • the lower housing 200 covers the lower surface of the cell stack 100 and has a base plate 210 having a hole section 213 for forming a flow path as a hollow structure in at least one side region in the longitudinal direction; A plurality of spacers 220 supporting the cell stack 100 spaced apart from the surface of the base plate 210 to form empty spaces S1 and S2 between the cell stack 100 and the base plate 210. It may be implemented in the form including.
  • the empty spaces S1 and S2 mean a closed space surrounded by the cell stack 100, the spacer 220, and the base plate 210.
  • the empty spaces S1 and S2 communicate with the hole section 213 to supply the cooling medium to the empty space.
  • the cooling medium may be supplied and discharged into and out of the battery module 10 by connecting the supply pipe 230 and the discharge pipe 240 to the inlet and the outlet of the hole section 213, respectively.
  • the supply pipe 230 may be connected to the inlet of the hole section 213 of the base plate 210 from the front of the battery module 10
  • the discharge pipe 240 may be connected from the rear of the battery module 10. It may be connected to the exit of the hole section 213.
  • the pair of side housings 300 respectively cover parts of both sides of the cell stack 100, and are disposed at outermost sides of the battery cells 110 constituting the cell stack 100. Face the broad side of The pair of side housings 300 may also perform a function of preventing a gap between the battery cells 110 forming the cell stack 100 by pressing the cell stack 100 from both sides.
  • the pair of front and rear housings 400 may be implemented in a form including a bus bar frame 410, an insulating cover 420, and a front and rear cover 430, respectively.
  • the busbar frame 410 is coupled to the cell stack 100 from the front or the rear of the cell stack 100, and the electrode leads 111 are inserted into the bus bar frame 410 to allow the battery cell 110 to be inserted.
  • the bending of the electrode lead 111 for electrical connection between them facilitates. That is, the electrode leads 111 are inserted through the insertion slits formed in the bus bar frame 410 and then bent to form a coupling by welding or the like between the adjacent electrode leads 111.
  • the insulating cover 420 is inserted / bended in the bus bar frame 410 to prevent contact between the electrode leads 111 that are not in contact with each other among the electrode leads 111 that are joined to each other. As a component applied for the purpose, it is coupled on the busbar frame 410 to prevent the short from being generated by external factors.
  • the front and rear covers 430 are components coupled to the insulating cover 420, and serve to protect internal components such as the cell stack 100, the busbar frame 410, and the insulating cover 420.
  • the upper housing 500 includes a sensing assay 510 and a sensing unit disposed on the cell stack 100 and electrically connected to the electrode leads 111 inserted / bended through the bus bar frame 410 described above.
  • the top plate 520 may be coupled to an upper portion of the assay 510 to form an outermost layer of the upper housing 500.
  • first side portions 211 and second side portions 212 portions corresponding to both side regions of the base plate 210 that face each other along the longitudinal direction are defined as first side portions 211 and second side portions 212. Let's do it.
  • the first side portion 211 and the second side portion 212 may be formed higher than other portions (plate surfaces) of the base plate 210.
  • the cell stack 100 has a lower surface between the first side portion 211 and the second side portion 212 supported by the spacers 220 so as to be spaced apart from the surface of the base plate 210, and both sides have a side housing 300. Supported by them.
  • the side housing 300 includes a coupling protrusion 310 protruding downward from the lower end thereof.
  • each of the first side portion 211 and the second side portion 212 of the base plate 210 includes a coupling groove G provided to be engaged with the coupling protrusion 310.
  • the side housing 300 may be fixed to the first side portion 211 and the second side portion 212 of the base plate 210.
  • the coupling protrusion 310 may be provided in the first and second side parts 212, and the coupling groove G may be fixed in the side housing 300.
  • the first and second side parts 211 and 212 serve as, for example, fences for confining the cooling medium in the empty spaces S1 and S2, and further include a leakage preventing jaw P in contact with the cell stack 100. can do.
  • the leakage preventing jaw P may be provided to extend in a horizontal direction toward the cell stack 100 to abut the outermost cell of the cell stack 100.
  • the leak prevention jaw P may have a gap between the base plate 210 and the cell stack 100 to prevent leakage / leakage of the cooling medium.
  • the adhesive may be further interposed along the leakage preventing jaw (P).
  • the spacers 220 may be manufactured to correspond to the shape of the bottom surface of the cell stack 100.
  • the lower surface of the cell stack 100 formed of the pouch type battery cells 110 may not have a smooth bottom surface due to the characteristics of the pouch type battery cells 110.
  • the gap between the unit spacers 220 and the lower surface of the cell stack 100 may be eliminated by fabricating according to the shape of the lower surface of the 100.
  • An adhesive is interposed between the cell stack 100 and the spacer 220 such that a cooling medium such as insulating oil does not leak between the cell stack 100 and the spacer 220, and the adhesive includes the cell stack 100.
  • a cooling medium such as insulating oil
  • the spacers 220 are coupled / fixed as well as function as a gasket.
  • the spacer 220 may be formed of a plurality of unit spacers 220 spaced apart from each other.
  • the spacer 220 as shown in FIG. 5, the first spacer 221 provided at one end in the longitudinal direction of the base plate 210, and the other side in the longitudinal direction of the base plate 210.
  • the second spacer 222 and the first spacer 221 and the third spacer 222 spaced apart from the second spacer 222 may be provided between the end portion provided.
  • the number of such unit spacers 220 is not limited to three illustrated in the drawings of the present invention, and two or more of them may be provided. That is, the third spacer 223 may be omitted, and one or more unit spacers 220 including the third spacer 223 are spaced apart from each other between the first spacer 221 and the second spacer 222. It is possible. However, hereinafter, a case in which three unit spacers 220 are three will be described for convenience of description.
  • the unit spacers 220 extend in the width direction of the base plate 210, and both ends thereof are disposed to contact both side regions of the base plate 210, that is, the first side portion 211 and the second side portion 212. do.
  • the cell stack 100 is placed on the unit spacers 220 so that the bottom surface thereof does not touch the surface of the base plate 210. Accordingly, predetermined empty spaces S1 and S2 are formed between the cell stack 100 and the base plate 210.
  • the empty spaces S1 and S2 are examined.
  • the empty spaces S1 and S2 are blocked by the cell stack 100 and the base plate 210, and the first and second spaces are blocked. It can be seen that the front and rear are blocked by the spacer 221 and the second spacer 222, and the left and right are blocked by the first side part 211 and the second side part 212.
  • the empty spaces S1 and S2 may be partitioned into a first empty space S1 and a second empty space S2 by the third spacer 223.
  • the third spacer 223 is a component that provides stable support to the cell stack 100 and may be added or subtracted according to the size of the battery cell 110.
  • the first side portion 211 and / or the second side portion 212 of the base plate 210 are utilized as the cooling medium moving path for supplying the cooling medium to the empty spaces S1 and S2.
  • the first side portion 211 and the second side portion 212 is formed in the hole along the longitudinal direction of the base plate 210 in the hole section 213 communicating with the empty spaces (S1, S2) It is provided.
  • the hole section 213 has an opening O at a predetermined position, and communicates with the empty spaces S1 and S2 through which the cooling medium can penetrate into the empty spaces S1 and S2. have.
  • the hole section 213 includes a first section 213a, a third section 213c, and a second side section 212 formed in the first side surface portion 211. It includes a second section 213b formed in.
  • the first section 213a is a flow path section extending from the inlet of the hole section 213 to one side of the first empty space S1 located between the first spacer 221 and the third spacer 223.
  • the cooling medium introduced from the outside through the supply pipe 230 moves along the first section 213a and seeps into the first empty space S1 through the opening of the first section 213a.
  • the second section 213b is a flow path section extending from the first empty space S1 to the second empty space S2 positioned between the third spacer 223 and the second spacer 222. Two openings O in the second section are formed to face the first empty space S1 and the second empty space S2.
  • the second section 213b may be a flow path section for moving the cooling medium of the first empty space S1 to the second empty space S2 by bypassing the third spacer 223.
  • the third section 213c is a flow path section extending from the second empty space S2 to the exit of the hole section 213.
  • the cooling medium of the second empty space S2 moves along the third section 213c and is discharged to the outside through the discharge pipe 240.
  • the cooling medium is the supply pipe 230, the first section (213a), the first empty space (S1), the second section (213b), the second empty space (S2), the third The sequence 213c moves in order of the discharge pipe 240.
  • the battery module 10 according to the exemplary embodiment of the present invention having such a cooling medium flow may have a higher cooling performance than that of the conventional battery by allowing the cooling medium to directly contact the battery cells 110.
  • connection pipe may be connected to the inlet or the outlet of the hole section 213 to connect two battery modules 10 instead of the supply pipe 230 or the discharge pipe 240.
  • a connection pipe may be connected to the inlet or the outlet of the hole section 213 to connect two battery modules 10 instead of the supply pipe 230 or the discharge pipe 240.
  • a plurality of battery modules 10 are connected to form a battery pack (not shown)
  • one battery module 10 is different from an outlet of the hole section 213 of one battery module 10. It is also possible to connect the inlet of the hole section 213 of the joint.
  • the first spacer 221, the second spacer 222, and the third spacer 223 each include a flow path formed through the inside of the cooling medium to pass therethrough.
  • Flow paths corresponding to the first spacer 221 to the third spacer 223 are referred to as a first spacer flow path 221a, a second spacer flow path 222a, and a third spacer flow path 223a.
  • a plurality of first spacer flow passages 221a to 223a may be formed.
  • the first cooling pipe 250 is installed in front of the first spacer 221, the second cooling is installed behind the second spacer 222.
  • the pipe 260 may further include.
  • the first cooling pipe 250 individually separates each of the hole sections 213 formed at one end of the first side surface portion 211 and the plurality of first spacer flow paths 221a exposed in front of the first spacer 221. It is provided in the form of connecting. As a result, the cooling medium may flow into the first empty space S1 through the supply pipe 230, the hole section 213, and the first cooling pipe 250, passing through the first spacer flow paths 221a.
  • the second cooling pipe 260 individually separates each of the hole sections 213 formed at the other end of the first side surface portion 211 and the plurality of second spacer flow paths 222a exposed at the rear of the second spacer 222. It is provided in the form of connecting. According to this, the cooling medium may be discharged to the outside through the discharge pipe 240 through the second spacer flow path 222a in the second empty space S2 and through the second cooling pipe 260 and the hole section 213. have.
  • the third spacer 223 is configured to allow the cooling medium flowing into the first empty space S1 through the first spacer flow path 221a to be directed to the second spacer 222. It may be provided in the form having a third spacer flow path (223a) formed through the inside.
  • the cooling medium is the supply pipe 230, the front hole section 213, the first cooling pipe 250, the first spacer flow path (221a) , The first empty space S1, the third spacer flow paths 223a, the second empty space S2, the second cooling pipe 260, the rear hole section 213, and the discharge pipe 240 in order. It may be discharged to the outside of the battery module 10.
  • the cooling medium may pass through the third spacer 223 without bypassing the third spacer 223, unlike the above-described embodiment, so that the second side portion 212 of the base plate 210 may not have the hole section 213.
  • the hole section 213 may be formed relatively short as a connection passage between the supply pipe 230 / the first cooling pipe 250 or the second cooling pipe 260 / discharge pipe 240.
  • the battery module 10 partially applies the spacer 220 between the cell stack 100 and the base plate 210, and thereby the cell stack 100 and the base.
  • the cooling medium By allowing the cooling medium to be supplied to the empty spaces S1 and S2 formed between the plates 210, thereby allowing the cell stack 100 to directly contact the cooling medium, cooling efficiency may be maximized. .
  • the battery module 10 according to the present invention is sealed to solve a problem of leakage / leakage that may occur when the liquid cooling medium such as the coolant insulating oil is directly contacted with the battery cell 110.
  • the reliability of the product can be improved by applying a structure with enhanced properties.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention implemented by electrically connecting a plurality of battery modules 10 described above, and in the case of a vehicle having such a battery pack, also retain the advantages of the battery module 10 as it is. It will be able to exhibit excellent performance.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 적층체의 하부, 양 측부, 전후방 및 상부를 각각 커버하는 하부 하우징, 한 쌍의 측부 하우징, 한 쌍의 전후방 하우징 및 상부 하우징으로 구성되는 모듈 하우징을 포함하고, 상기 하부 하우징은, 길이 방향에 따른 적어도 일 변 영역 내부에 유로를 형성하는 홀 구간을 가지며 상기 셀 적층체의 하면을 전체적으로 커버하는 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트에 미리 결정된 간격마다 배치되고 상기 셀 적층체를 상기 베이스 플레이트 표면으로부터 이격되게 지지하여 상기 셀 적층체와 상기 베이스 플레이트 사이에 빈 공간을 형성시키는 복수 개의 스페이서를 포함하고, 상기 홀 구간은 냉각 매체가 상기 빈 공간에 공급되게 상기 빈 공간과 연통하게 마련된다.

Description

개선된 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈
본 발명은, 개선된 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 냉각을 위한 절연유를 이용하되, 이러한 절연유가 배터리 셀과 직접 접촉될 수 있는 냉각 구조를 가짐으로써 향상된 냉각 효율을 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 2018년 06월 08일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2018-0066302호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
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 이차전지가 전기적으로 연결된다. 특히, 이러한 중대형 장치에는 적층이 용이하다는 장점으로 인해 파우치 타입의 셀이 많이 이용된다.
하지만, 파우치 타입 셀은, 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않다. 따라서, 다수의 파우치 타입 셀을 포함하여 배터리 모듈을 구성할 때, 이차 전지를 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 그 유동을 방지하며, 적층이 용이하도록 하기 위해, 프레임을 이용하는 경우가 많다.
프레임은 카트리지 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있는데, 보통 중앙 부분이 비어 있는 사각 플레이트 형태로 구성되는 경우가 많으며, 이때 4개의 변 부분이 파우치 타입 셀의 외주부를 감싸도록 구성된다. 그리고 이러한 프레임은 배터리 모듈을 구성하기 위해 다수가 적층된 형태로 이용되며, 파우치 타입 셀은 프레임이 적층되었을 때 생기는 내부의 빈 공간에 위치할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 종래의 배터리 모듈 구조가 나타나 있다. 이와 같은 종래의 배터리 모듈 구조는, 다수의 프레임(2)을 이용하여 다수의 파우치 타입 셀(1)이 적층되도록 하는 경우, 한 쌍의 파우치 타입 셀(1) 각각의 외측면 상에 플레이트 형태의 냉각 핀(3)을 적용함으로써 냉각 효율을 높인다.
이차 전지는 여름과 같이 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있으며, 또한 이차 전지 자체적으로도 열이 발생할 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층되어 있는 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있는데, 이 온도가 적정 온도보다 높아지면 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 따라서, 배터리 모듈을 구성할 때 파우치 타입 셀(1)의 면과 접촉하도록 냉각 핀(3)을 적용하고 이러한 냉각 핀(3)이 그 하부에 위치한 냉각 플레이트(4)와 접촉하도록 함으로써 배터리 모듈의 전체적인 온도 상승이 방지되도록 하는 구성이 많이 이용된다.
그러나 통상적으로 금속 재질로 구성되는 이러한 냉각 핀(3)을 대면하는 파우치 타입 셀(1)들 사이에 개재시켜 배터리 모듈을 구성하는 경우, 냉각 핀(3)과 배우치 셀(1)의 표면 사이의 재질 차이로 인한 접촉 열 저항이 매우 클 수밖에 없고, 또한 이처럼 단순히 금속의 전도성에 의존하는 냉각 방식만으로는 큰 발열이 발생하는 상황에서 충분한 냉각이 이루어지기 어려울 수도 있다는 문제가 있다.
따라서, 이러한 접촉 열 저항을 감소시키고 또한 단순한 열 전도방식 이외에 좀 더 효율적으로 열을 방출할 수 있도록 하는 냉각 방식이 적용된 배터리 모듈 구조에 대한 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 냉각을 위한 냉각 매체와 배터리 셀 간의 직접 접촉이 가능한 냉각 구조가 적용된 배터리 모듈을 제공함으로써 고용량 및/또는 고출력의 배터리 모듈의 적용에 따른 발열량 증가에도 효율적으로 냉각이 이루어질 수 있도록 하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체를 수용하며, 상기 셀 적층체의 하부, 양 측부, 전후방 및 상부를 각각 커버하는 하부 하우징, 한 쌍의 측부 하우징, 한 쌍의 전후방 하우징 및 상부 하우징으로 구성되는 모듈 하우징을 포함하며, 상기 하부 하우징은, 길이 방향에 따른 적어도 일 변 영역 내부에 유로를 형성하는 홀 구간을 가지며 상기 셀 적층체의 하면을 전체적으로 커버하는 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트에 미리 결정된 간격마다 배치되고 상기 셀 적층체를 상기 베이스 플레이트 표면으로부터 이격되게 지지하여 상기 셀 적층체와 상기 베이스 플레이트 사이에 빈 공간을 형성시키는 복수 개의 스페이서를 포함하고, 상기 홀 구간은 냉각 매체가 상기 빈 공간에 공급되게 상기 빈 공간과 연통할 수 있다.
상기 복수 개의 스페이서는, 상기 베이스 플레이트의 길이 방향 일 측과 타 측에 각각 구비되고, 양단부가 상기 베이스 플레이트의 양변 영역에 접하게 상기 베이스 플레이트의 폭 방향을 따라 연장 형성된 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 스페이서는, 상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서와 이격되어 그 사이에 구비되는 적어도 하나의 제3 스페이서를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 플레이트에서 상기 적어도 일 변 영역은 상호 대향하는 양변 영역에 해당하는 제1 측면부와 제2 측면부로 정의되고, 상기 홀 구간은, 상기 베이스 플레이트 외부에서 상기 제1 스페이서와 상기 제3 스페이서 사이에 위치한 제1 빈 공간까지 연통하게 상기 제1 측면부에 형성되는 제1 구간; 상기 제1 빈 공간에서 상기 제3 스페이서와 상기 제2 스페어서 사이에 위치한 제2 빈 공간까지 연통하게 상기 제2 측면부에 형성되는 제2 구간; 및 상기 제2 빈 공간에서 상기 베이스 플레이트 외부로 연통하게 상기 제1 측면부에 형성되는 제3 구간을 포함할 수 있다.
상기 제3 스페이서는, 냉각 매체가 통과하도록 내부를 관통하여 형성되는 제3 스페이서 유로를 구비할 수 있다.
상기 제1 스페이서와 상기 제2 스페이서는 각각 내부를 관통하여 형성되는 제1 스페이서 유로와 제2 스페이서 유로를 구비하고, 상기 홀 구간과 상기 제1 스페이서 유로를 연결하는 제1 쿨링 파이프; 및 상기 홀 구간과 상기 제2 스페이서 유로를 연결하는 제2 쿨링 파이프를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 플레이트에서 상기 적어도 일 변 영역은 상호 대향하는 양변 영역에 해당하는 제1 측면부와 제2 측면부로 정의되고, 상기 제1 및 제2 측면부는 상기 베이스 플레이트의 다른 부분보다 높게 형성되고, 상기 측부 하우징의 하단부에 하방으로 돌출 형성된 결합 돌기와 형합되게 마련된 결합 홈을 더 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제2 측면부는 상기 셀 적층체의 최외곽 셀에 맞닿게 상기 셀 적층체를 향해 연장된 형태로 돌출된 누수 방지턱을 더 구비할 수 있다.
상기 셀 적층체와 스페이서 사이에는 상기 셀 적층체와 스페이서 사이로 냉각 매체가 누수되지 않도록 접착제가 개재될 수 있다.
상기 베이스 플레이트의 홀 구간의 일측과 타측에 각각 연결되어 냉각 매체를 상기 빈 공간에 유출입시키는 공급관과 배출관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 구현되는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상기 배터리 팩을 구비하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 냉각을 위한 냉각 매체와 배터리 셀 간의 직접 접촉이 가능한 냉각 구조가 적용된 배터리 모듈이 제공됨으로써 고용량 및/또는 고출력의 배터리 모듈의 적용에 따른 발열량 증가에도 효율적으로 냉각이 이루어질 수 있게 되어 배터리 모듈의 성능 향상을 가져올 수 있을 뿐만 아니라, 온도 상승에 따른 배터리 셀의 발화/폭발 등의 안전사고를 예방하는 효과 역시 가져올 수 있게 된다.
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 아니 된다.
도 1은 종래의 배터리 모듈에 채용된 냉각 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 셀 적층체, 하부 하우징, 측부 하우징을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 매체의 흐름을 유도하는 하부 하우징 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 도 2의 A-A' 및 E-E'에 따른 단면도이다.
도 7은 도 6의 베이스 플레이트의 양쪽 변 영역 확대도들이다.
도 8의 도 2의 B-B' 및 도 D-D'에 따른 단면도이다.
도 9는 도 8의 베이스 플레이트의 양쪽 변 영역 확대도들이다.
도 10은 도 2의 C-C'에 따른 단면도이다.
도 11은 도 10의 베이스 플레이트의 양쪽 변 영역 확대도들이다.
도 12는 도 5에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 매체의 흐름을 유도하는 하부 하우징 구조를 도시한 도면이다.
도 13은 도 12의 주요 부분 확대도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 내지 제3 스페이서 일부분의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 이루는 구성요소들을 개략적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 외관을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 셀 적층체(100) 및 이를 수용하는 모듈 하우징(20)을 포함하는 형태로 구현된다. 또한, 상기 모듈 하우징(20)은, 하부 하우징(200), 한 쌍의 측부 하우징(300), 한 쌍의 전후방 하우징(400) 및 상부 하우징(500)을 포함한다.
셀 적층체(100)는, 복수의 배터리 셀(110)을 적층시켜 얻어지는 것으로서, 여기서 이용되는 배터리 셀(110)은 충방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 파우치 타입 배터리 셀(110)이 적용될 수 있다.
배터리 셀(110) 각각은 일측 및 타측으로 연장되는 한 쌍의 전극 리드(111)를 구비할 수 있으며, 이러한 전극 리드(111)는 양극 리드 및 음극 리드를 포함한다. 적층된 각각의 배터리 셀(110) 사이는 후술할 바와 같이 셀 적층체(100)의 하부에 접촉되는 절연유 등의 냉각 매체가 셀 적층체(100)를 이루는 배터리 셀(110)들 사이의 공간을 통해 상부로 침투할 수 없도록 접착제 등에 의해 단단히 고정/밀폐되는 것이 바람직하다.
또한, 전극 리드(111)들은, 셀 적층체(100)를 이루는 배터리 셀(110)들이 서로 직렬 연결, 병렬 연결 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식의 연결을 이루도록 배치/연결될 수 있다.
하부 하우징(200)은 셀 적층체(100)의 하면을 전체적으로 커버하고 길이 방향에 따른 적어도 일 변 영역 내부에 중공 구조로서 유로를 형성하는 홀 구간(213)을 구비한 베이스 플레이트(210)와, 셀 적층체(100)를 상기 베이스 플레이트(210)의 표면으로부터 이격되게 지지하여 상기 셀 적층체(100)와 베이스 플레이트(210) 사이에 빈 공간(S1,S2)을 형성시키는 복수 개의 스페이서(220)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
여기서 상기 빈 공간(S1,S2)은 셀 적층체(100), 스페이서(220) 및 베이스 플레이트(210)로 둘러싸여 밀폐된 공간을 의미한다. 이러한 빈 공간(S1,S2)과 홀 구간(213)을 연통시켜 냉각 매체를 빈 공간에 공급한다.
상기 냉각 매체는 공급관(230)과 배출관(240)을 홀 구간(213)의 입구와 출구에 각각 연결하여 배터리 모듈(10) 내외로 공급 및 배출될 수 있다. 이를테면, 도 4와 같이, 공급관(230)은 배터리 모듈(10)의 전방으로부터 베이스 플레이트(210)의 홀 구간(213) 입구에 연결될 수 있고, 배출관(240)은 배터리 모듈(10)의 후방으로부터 홀 구간(213)의 출구에 연결될 수 있다. 배터리 모듈(10) 내부에서 냉각 매체의 흐름에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
한 쌍의 측부 하우징(300)은 각각 셀 적층체(100)의 양 측부를 커버하는 부품으로서, 셀 적층체(100)를 이루는 배터리 셀(110)들 중 양측 최 외각에 배치되는 배터리 셀(110)의 넓은 면과 대면한다. 이러한 한 쌍의 측부 하우징(300)은 셀 적층체(100)를 양쪽에서 가압함으로써 셀 적층체(100)를 이루는 배터리 셀(110)들 사이에 갭이 발생되지 않도록 하는 기능 또한 수행할 수 있다.
한 쌍의 전후방 하우징(400)은, 각각 버스바 프레임(410), 절연 커버(420) 및 전후방 커버(430)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
버스바 프레임(410)은 셀 적층체(100)의 전방 또는 후방으로부터 셀 적층체(100)에 결합되는 것으로서, 이러한 버스바 프레임(410)에는 전극 리드(111)들이 삽입되어 배터리 셀(110)들 상호 간의 전기적 연결을 위한 전극 리드(111)의 벤딩 작업을 용이하게 한다. 즉, 전극 리드(111)들은 버스바 프레임(410)에 형성된 삽입 슬릿들을 통해 삽입된 후 절곡되어 인접한 전극 리드(111) 상호 간에 용접 등에 의한 결합을 이룬다.
절연 커버(420)는 버스바 프레임(410)에 삽입/벤딩되어 서로 결합을 이룬 전극 리드(111)들 중 서로 접촉되어서는 안되는 관계에 있는 전극 리드(111)들 간에 접촉이 발생되는 것을 방지하기 위해 적용되는 부품으로서, 버스바 프레임(410) 상에 결합되어 외부의 요인에 의해 쇼트(short)가 발생되는 것을 방지한다.
전후방 커버(430)는 절연 커버(420) 상에 결합되는 부품으로서, 셀 적층체(100), 버스바 프레임(410) 및 절연 커버(420) 등의 내부 부품들을 보호하는 기능을 수행한다.
상부 하우징(500)은, 셀 적층체(100)의 상부에 배치되되 앞서 설명한 버스바 프레임(410)을 통해 삽입/밴딩된 전극 리드(111)들과 전기적으로 연결되는 센싱 아세이(510) 및 센싱 아세이(510)의 상부에 결합되어 상부 하우징(500)의 최 외층을 이루는 탑 플레이트(520)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
이어서, 도 2 및 도 3과 함께, 도 4 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 냉각 구조를 보다 자세히 설명하기로 한다.
이하에서, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 베이스 플레이트(210)에서 길이 방향을 따라 상호 대향하는 양변 영역에 해당하는 부분을 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)로 정의하기로 한다.
상기 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)는 베이스 플레이트(210)의 다른 부분(판면)보다 높게 형성될 수 있다. 셀 적층체(100)는 이러한 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212) 사이에서 하면이 스페이서(220)들로 지지되어 베이스 플레이트(210) 표면으로부터 이격되고, 양쪽 측면이 측부 하우징(300)들에 의해 지지된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 측부 하우징(300)은 하단부에 하방으로 돌출 형성된 결합 돌기(310)를 구비한다. 그리고 베이스 플레이트(210)의 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)는 각각 상기 결합 돌기(310)와 형합되게 마련된 결합 홈(G)을 구비한다. 이러한 결합 홈(G)에 결합 돌기(310)가 삽입/고정됨으로써 측부 하우징(300)이 베이스 플레이트(210)의 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)에 고정될 수 있다. 물론, 본 실시예와 달리, 제1 및 제2 측면부(212)에 결합 돌기(310)를 마련하고, 측부 하우징(300)에 결합 홈(G)을 마련하여 이들을 고정 결합시킬 수도 있다.
상기 제1 및 제2 측면부(211,212)는 이를테면, 냉각 매체를 빈 공간(S1,S2)에 가두는 펜스와 같은 역할을 하며 특히 셀 적층체(100)와 접하는 곳에 누수 방지턱(P)을 더 구비할 수 있다. 누수 방지턱(P)은, 도 7에 도시한 바와 같이, 셀 적층체(100)의 최외곽 셀에 맞닿게 셀 적층체(100)를 향해 수평 방향으로 연장된 형태로 제공될 수 있다. 이러한 누수 방지턱(P)은 베이스 플레이트(210)와 셀 적층체(100) 사이에 빈틈이 생겨 냉각 매체가 누수/누유되는 것을 방지할 수 있다. 바람직하게는 상기 누수 방지턱(P)을 따라 접착제가 더 개재될 수 있다.
또한, 스페이서(220)들은 셀 적층체(100)의 하면 형상에 대응하게 제작될 수 있다. 파우치 타입 배터리 셀(110)들로 구성된 셀 적층체(100)의 하면은 파우치 타입 배터리 셀(110)의 특성상 하면이 반듯하지 못한 점을 고려하여, 단위 스페이서(220)들의 상면을 이러한 셀 적층체(100)의 하면 형상에 맞추어 제작함으로써 단위 스페이서(220)들과 셀 적층체(100) 하면 사이의 갭을 없앨 수 있다.
그리고 상기 셀 적층체(100)와 스페이서(220) 사이에는 셀 적층체(100)와 스페이서(220)들 사이로 절연유 등의 냉각 매체가 누수되지 않도록 접착제가 개재되며, 이러한 접착제는 셀 적층체(100)와 스페이서(220)들 사이를 결합/고정시킬 뿐만 아니라 가스켓으로서의 기능 또한 수행하게 된다.
한편, 상기 스페이서(220)는 서로 분리된 형태로 이격되어 배치되는 복수의 단위 스페이서(220)들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 스페이서(220)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 베이스 플레이트(210)의 길이 방향 일 측 단부에 구비되는 제1 스페이서(221), 베이스 플레이트(210)의 길이 방향 타 측 단부에 구비되는 제2 스페이서(222) 및 제1 스페이서(221) 및 제2 스페이서(222)와 이격되어 그 사이에 구비되는 제3 스페이서(223)를 포함할 수 있다.
다만, 이러한 단위 스페이서(220)의 개수는 본 발명의 도면에 예시된 3개로 국한되지 않으며, 그 2개 또는 이상의 개수가 구비되는 것도 가능하다. 즉, 제3 스페이서(223)는 생략될 수도 있으며, 제1 스페이서(221)와 제2 스페이서(222) 사이에 제3 스페이서(223)를 비롯한 하나 이상의 단위 스페이서(220)들이 서로 이격되어 배치되는 것이 가능하다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 단위 스페이서(220)가 세 개인 경우를 예로 들어 설명을 하기로 한다.
상기 단위 스페이서(220)들은 베이스 플레이트(210)의 폭 방향을 따라 연장된 형태로, 양단부가 베이스 플레이트(210)의 양변 영역, 즉 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)에 접하게 배치된다. 셀 적층체(100)는 상기 단위 스페이서(220)들 위에 놓여 그 하면이 베이스 플레이트(210) 표면에 닿지 않게 된다. 이에 따라 셀 적층체(100)와 베이스 플레이트(210) 사이에는 소정의 빈 공간(S1,S2)이 형성된다.
도 4, 내지 도 11을 참조하여 상기 빈 공간(S1,S2)을 살펴보면, 상기 빈 공간(S1,S2)은 셀 적층체(100)와 베이스 플레이트(210)에 의해 상하가 막혀있고, 제1 스페이서(221)와 제2 스페이서(222)에 의해 전후가 막혀있으며, 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)에 의해 좌우가 막혀있음을 알 수 있다. 그리고 빈 공간(S1,S2)은 제3 스페이서(223)에 의해 제1 빈 공간(S1)과 제2 빈 공간(S2)으로 구획될 수 있다. 상기 제3 스페이서(223)는 셀 적층체(100)에 안정적인 지지력을 제공하는 구성요소로서, 배터리 셀(110)의 사이즈에 따라 가감될 수 있다.
이와 같은, 빈 공간(S1,S2)에 냉각 매체를 공급하기 위한 냉각 매체 이동 경로로서 베이스 플레이트(210)의 제1 측면부(211) 및/또는 제2 측면부(212)가 활용된다. 전술한 바와 같이, 제1 측면부(211)와 제2 측면부(212)는 내부에 베이스 플레이트(210)의 길이 방향을 따라 유로를 형성하고 빈 공간(S1,S2)과 연통하는 홀 구간(213)을 구비한다. 그리고 홀 구간(213)은 미리 지정된 위치마다 개구(O)를 가지며, 상기 개구(O)를 통해 냉각 매체가 빈 공간(S1,S2)에 스며들 수 있게 빈 공간(S1,S2)과 연통해 있다.
본 실시예에 따른 홀 구간(213)은, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 측면부(211)에 형성되는 제1 구간(213a)과 제3 구간(213c), 그리고 제2 측면부(212)에 형성되는 제2 구간(213b)을 포함한다.
상기 제1 구간(213a)은 홀 구간(213)의 입구에서 제1 스페이서(221)와 제3 스페이서(223) 사이에 위치한 제1 빈 공간(S1) 일 측까지 이어져 있는 유로 구간이다. 공급관(230)을 통해 외부에서 유입된 냉각 매체는 제1 구간(213a)을 따라 이동하고 제1 구간(213a)의 개구를 통해 제1 빈 공간(S1)으로 스며들게 된다.
제2 구간(213b)은 제1 빈 공간(S1)에서 제3 스페이서(223)와 제2 스페이서(222) 사이에 위치한 제2 빈 공간(S2)까지 이어져 있는 유로 구간이다. 제2 구간의 개구(O)는 2개로 제1 빈 공간(S1)과 제2 빈 공간(S2)에 대향하게 형성되어 있다. 이러한 제2 구간(213b)은 제1 빈 공간(S1)의 냉각 매체를 제3 스페이서(223)를 우회해서 제2 빈 공간(S2)으로 이동시키는 유로 구간이라 할 수 있다.
제3 구간(213c)은 제2 빈 공간(S2)에서 홀 구간(213)의 출구까지 이어져 있는 유로 구간이다. 제2 빈 공간(S2)의 냉각 매체는 상기 제3 구간(213c)을 따라 이동하여 배출관(240)을 통해 외부로 배출된다.
즉, 냉각 매체의 흐름을 요약하면, 냉각 매체는 공급관(230), 제1 구간(213a), 제1 빈 공간(S1), 제2 구간(213b), 제2 빈 공간(S2), 제3 구간(213c), 배출관(240)의 순서로 이동한다. 이와 같은 냉각 매체 흐름을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은 냉각 매체가 배터리 셀(110)들에 직접 접촉하게 됨으로써 기존 대비 높은 냉각 성능을 가질 수 있다.
한편, 본 실시예는 홀 구간(213)이 3개이나, 이는 단위 스페이서(220)와 빈 공간(S1,S2)의 개수에 따른 것으로 단위 스페이서(220)와 빈 공간(S1,S2)의 개수에 따라 홀 구간(213)은 얼마든지 가감될 수 있다. 그리고 상기 홀 구간(213)의 입구 또는 출구에는 공급관(230) 또는 배출관(240) 대신 2개의 배터리 모듈(10)을 연결하기 위한 이음관(미도시)이 연결될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(10)을 연결하여 배터리 팩(미도시)을 구성할 경우, 어느 하나의 배터리 모듈(10)의 홀 구간(213)의 출구와 다른 하나의 배터리 모듈(10)의 홀 구간(213)의 입구를 이음관으로 연결할 수도 있다.
이어서 도 12 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 냉각 유로 구성을 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 설명함에 있어서는 앞선 실시예와 다른 부분에 대해서 중점적으로 설명하기로 하며, 앞선 실시예에 대한 설명과 중복되는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 스페이서(221), 제2 스페이서(222), 제3 스페이서(223)는 각각 냉각 매체가 통과하도록 내부를 관통하여 형성되는 유로를 구비한다. 제1 스페이서(221) 내지 제3 스페이서(223)에 각각 대응하는 유로를 제1 스페이서 유로(221a), 제2 스페이서 유로(222a), 제3 스페이서 유로(223a)라 지칭한다. 상기 제1 스페이서 유로(221a) 내지 제3 스페이서 유로(223a)는 복수 개가 형성될 수 있다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 제1 스페이서(221)의 전방에 설치되는 제1 쿨링 파이프(250)와, 제2 스페이서(222)의 후방에 설치되는 제2 쿨링 파이프(260)를 더 포함할 수 있다.
제1 쿨링 파이프(250)는 제1 측면부(211) 일단에 형성되어 있는 홀 구간(213)과 제1 스페이서(221)의 전방에 노출되어 있는 복수의 제1 스페이서 유로(221a)들 각각을 개별적으로 연결하는 형태로 제공된다. 이에 의하면, 냉각 매체가 공급관(230), 홀 구간(213), 제1 쿨링 파이프(250)를 거쳐 제1 스페이서 유로(221a)들을 통과하여 제1 빈 공간(S1)으로 유입될 수 있다.
제2 쿨링 파이프(260)는 제1 측면부(211) 타단에 형성되어 있는 홀 구간(213)과 제2 스페이서(222)의 후방에 노출되어 있는 복수의 제2 스페이서 유로(222a)들 각각을 개별적으로 연결하는 형태로 제공된다. 이에 의하면, 냉각 매체가 제2 빈 공간(S2)에서 제2 스페이서 유로(222a)들을 통과하고 제2 쿨링 파이프(260)와 홀 구간(213)을 거쳐 배출관(240)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
제3 스페이서(223)는, 제1 스페이서 유로(221a)를 통해 제1 빈 공간(S1)으로 흘러 들어온 냉각 매체를 제2 스페이서(222)쪽으로 보낼 수 있도록 하기 위해서, 제3 스페이서(223)의 내부를 관통하여 형성되는 제3 스페이서 유로(223a)들을 구비하는 형태로 제공될 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 배터리 모듈(10)의 냉각 매체 흐름을 요약하면, 냉각 매체는 공급관(230), 앞쪽 홀 구간(213), 제1 쿨링 파이프(250), 제1 스페이서 유로(221a)들, 제1 빈 공간(S1), 제3 스페이서 유로(223a)들, 제2 빈 공간(S2), 제2 쿨링 파이프(260), 뒷쪽 홀 구간(213), 배출관(240)의 순서로 이동하여 배터리 모듈(10)의 외부로 배출될 수 있다.
이러한 본 실시예는 냉각 매체가 전술한 실시예와 달리 제3 스페이서(223)를 우회하지 않고 통과할 수 있기 때문에 베이스 플레이트(210)의 제2 측면부(212)에 홀 구간(213)이 없어도 좋다. 또한, 홀 구간(213)은 공급관(230)/제1 쿨링 파이프(250) 또는 제2 쿨링 파이프(260)/배출관(240)의 연결 통로로서 비교적 짧게 형성되더라도 무방하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 셀 적층체(100)와 베이스 플레이트(210) 사이에 부분적으로 스페이서(220)를 적용하고, 이를 통해 셀 적층체(100)와 베이스 플레이트(210) 사이에 형성되는 빈 공간(S1,S2)에 냉각 매체가 공급될 수 있도록 하고, 이로써 셀 적층체(100)가 냉각 매체와 직접 접촉할 수 있도록 함으로써, 냉각 효율이 극대화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)은, 이처럼 냉각수 절연유 등의 액상의 냉각 매체와 배터리 셀(110)이 직접 접촉하는 구조를 취할 경우 발생될 수 있는 누수/누유의 문제점을 해결할 수 있도록 밀봉성을 강화한 구조를 적용함으로써 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한, 상술한 배터리 모듈(10)을 복수 개 전기적으로 연결시켜 구현되는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 구비하는 자동차의 경우 역시, 이러한 배터리 모듈(10)의 장점을 그대로 가져 우수한 성능을 나타낼 수 있게 되는 것이다.
위와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (12)

  1. 복수의 배터리 셀이 적층되어 형성된 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체를 수용하며, 상기 셀 적층체의 하부, 양 측부, 전후방 및 상부를 각각 커버하는 하부 하우징, 한 쌍의 측부 하우징, 한 쌍의 전후방 하우징 및 상부 하우징으로 구성되는 모듈 하우징을 포함하며,
    상기 하부 하우징은,
    길이 방향에 따른 적어도 일 변 영역 내부에 유로를 형성하는 홀 구간을 가지며 상기 셀 적층체의 하면을 전체적으로 커버하는 베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트에 미리 결정된 간격마다 배치되고 상기 셀 적층체를 상기 베이스 플레이트의 표면으로부터 이격되게 지지하여 상기 셀 적층체와 상기 베이스 플레이트 사이에 빈 공간을 형성시키는 복수 개의 스페이서를 포함하고,
    상기 홀 구간은 냉각 매체가 상기 빈 공간에 공급되게 상기 빈 공간과 연통하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서는,
    상기 베이스 플레이트의 길이 방향 일 측과 타 측에 각각 구비되고, 양단부가 상기 베이스 플레이트의 양변 영역에 접하게 상기 베이스 플레이트의 폭 방향을 따라 연장 형성된 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 스페이서는,
    상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서와 이격되어 그 사이에 구비되는 적어도 하나의 제3 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트에서 상기 적어도 일 변 영역은 상호 대향하는 양변 영역에 해당하는 제1 측면부와 제2 측면부로 정의되고,
    상기 홀 구간은,
    상기 베이스 플레이트 외부에서 상기 제1 스페이서와 상기 제3 스페이서 사이에 위치한 제1 빈 공간까지 연통하게 상기 제1 측면부에 형성되는 제1 구간;
    상기 제1 빈 공간에서 상기 제3 스페이서와 상기 제2 스페이서 사이에 위치한 제2 빈 공간까지 연통하게 상기 제2 측면부에 형성되는 제2 구간; 및
    상기 제2 빈 공간에서 상기 베이스 플레이트 외부로 연통하게 상기 제1 측면부에 형성되는 제3 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제3 스페이서는,
    냉각 매체가 통과하도록 내부를 관통하여 형성되는 제3 스페이서 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스페이서와 상기 제2 스페이서는 각각 내부를 관통하여 형성되는 제1 스페이서 유로와 제2 스페이서 유로를 구비하고,
    상기 홀 구간과 상기 제1 스페이서 유로를 연결하는 제1 쿨링 파이프; 및
    상기 홀 구간과 상기 제2 스페이서 유로를 연결하는 제2 쿨링 파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트에서 상기 적어도 일 변 영역은 상호 대향하는 양변 영역에 해당하는 제1 측면부와 제2 측면부로 정의되고,
    상기 제1 및 제2 측면부는 상기 베이스 플레이트의 다른 부분보다 높게 형성되고, 상기 측부 하우징의 하단부에 하방으로 돌출 형성된 결합 돌기와 형합되게 마련된 결합 홈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 측면부는 상기 셀 적층체의 최외곽 셀에 맞닿게 상기 셀 적층체를 향해 연장된 형태로 돌출된 누수 방지턱을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체와 스페이서 사이에는 상기 셀 적층체와 스페이서 사이로 냉각 매체가 누수되지 않도록 접착제가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 홀 구간의 일측과 타측에 각각 연결되어 냉각 매체를 상기 빈 공간에 유출입시키는 공급관과 배출관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 구현되는 배터리 팩.
  12. 제11항에 따른 배터리 팩을 구비하는 자동차.
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