KR20170107792A

KR20170107792A - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20170107792A
Application number: KR1020160031557A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 문정오
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: EP3331060B9; JP2019502232A; US20180205124A1; PL3331060T3; CN107925029A; EP3331060A1; EP3331060A4; CN107925029B; KR102172515B1; US10601089B2; WO2017160029A1; EP3331060B1; JP6719562B2

Abstract

본 발명은 냉각 성능이 안정적으로 확보되면서도 높은 안전성과 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 모듈 등을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 적층된 다수의 파우치형 이차 전지; 상기 다수의 이차 전지를 내부 공간에 수납하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 하부에 수용되고, 상기 다수의 이차 전지의 적어도 하부에 접촉하는 하부 충전액; 및 상기 하부 충전액보다 낮은 비중을 가져 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 하부 충전액의 상부에 수용된 상부 충전액을 포함한다.

Description

배터리 모듈{Battery module}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 냉각 성능과 안전성, 높은 에너지 밀도가 확보될 수 있는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.

근래에 들어서, 노트북, 스마트폰, 스마트 워치 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

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 충 방전이 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. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 세간의 이목이 집중되고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 점차 크게 늘어나고 있는 실정이다.

대부분의 배터리 모듈, 특히 하이브리드 자동차나 전기 자동차, ESS(Energy Storage System)와 같은 중대형 배터리 모듈에는 다수의 이차 전지가 포함되며, 이러한 다수의 이차 전지들은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 용량 및 출력이 향상되도록 한다. 더욱이, 중대형 배터리 모듈에는 적층이 용이하고 무게가 가벼우며 많은 개수를 포함시킬 수 있다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.

배터리의 사용량이나 사용 분야가 급격하게 증대되고, 용량 및 출력 또한 크게 늘어나면서, 배터리에는 여러 가지 다양한 특성이 요구되고 있다.

그 중 대표적인 하나의 특성은, 배터리 모듈의 효과적인 냉각 성능이라 할 수 있다. 특히, 다수의 이차 전지를 밀집하여 배터리 모듈을 구성하는 경우, 배터리 모듈의 냉각은 매우 중요한 문제이다. 이차 전지는 여름과 같이 고온 환경에서 사용되는 경우가 있을 수 있고, 이차 전지 자체적으로도 열이 많이 발생시킬 수 있다. 이때, 다수의 이차 전지가 서로 적층된 경우, 이차 전지의 온도는 더욱 높아질 수 있다. 그런데, 이처럼 온도가 높아지면, 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 이차 전지의 발화나 폭발이 발생할 위험도 있다.

또한, 배터리에 대하여 요구되는 다른 특성 중 하나로, 배터리 모듈의 안전성을 들 수 있다. 특히, 배터리 모듈의 경우, 과충전이나 과방전은 물론이고, 침상체가 관통하는 등, 다양한 원인에 의해 발화될 위험성이 있다. 이때, 발화를 조기에 진압하지 못하면, 배터리 모듈이 폭발하거나 자동차 등으로 화재가 확산될 수 있어, 큰 재산 및 인명 피해를 야기할 수 있다.

또한, 배터리에 대하여 요구되는 또 다른 특성 중 하나로, 배터리 모듈의 향상된 에너지 밀도를 들 수 있다. 배터리 모듈에서 에너지 증대에 기여하는 부분은 이차 전지로서, 배터리 모듈 내에서 이차 전지 이외의 구성요소가 많은 공간을 차지하는 경우, 배터리 모듈의 부피는 커지는 반면 배터리 모듈의 출력이나 용량은 감소된다. 따라서, 이 경우, 에너지 밀도가 작아질 수 있어, 배터리 모듈의 소형화 내지 용량이나 출력 향상은 달성되기 어려울 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 냉각 성능이 안정적으로 확보되면서도 높은 안전성과 높은 에너지 밀도를 갖는 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 적층된 다수의 파우치형 이차 전지; 상기 다수의 이차 전지를 내부 공간에 수납하는 모듈 케이스; 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 하부에 수용되고, 상기 다수의 이차 전지의 적어도 하부에 접촉하는 하부 충전액; 및 상기 하부 충전액보다 낮은 비중을 가져 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 하부 충전액의 상부에 수용된 상부 충전액을 포함한다.

여기서, 상기 하부 충전액은, 상기 상부 충전액보다 열전도도가 높도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 하부 충전액은, 0.5W/m·K 이상의 열전도도를 가질 수 있다.

또한, 상기 상부 충전액은, 상기 하부 충전액보다 비열이 높도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 상부 충전액은, 2000J/kg·K 이상의 비열을 가질 수 있다.

또한, 상기 상부 충전액은, 상기 하부 충전액보다 연소점이 높도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 상부 충전액은, 300℃ 이상의 연소점을 가질 수 있다.

또한, 상기 상부 충전액은, 상기 하부 충전액보다 내전압이 높도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는, 전극 리드가 상기 상부 충전액에 전체적으로 침지되게 구성될 수 있다.

또한, 상기 이차 전지는, 인접하는 이차 전지와 대면 접촉되게 적층될 수 있다.

또한, 상기 모듈 케이스는 바닥면에 이차 전지의 길이 방향을 따라 길게 연장되는 형태로 유입홈이 형성되고, 상기 하부 충전액은 상기 모듈 케이스의 유입홈에 채워질 수 있다.

또한, 상기 모듈 케이스는, 측면 내부에 내측 방향으로 볼록하게 형성된 경계돌출부를 구비하여, 상기 경계돌출부가 상기 하부 충전액과 상기 상부 충전액 사이의 경계에 위치하도록 구성될 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 발명의 경우, 배터리 모듈의 내부 공간의 상부와 하부에, 비중은 물론이고, 열전도도, 비열, 연소점 및/또는 내전압이 서로 다른 액체가 충전되도록 함으로써, 배터리 모듈의 냉각, 안전성 및 에너지 밀도 향상이라는 효과가 모두 달성될 수 있다.

먼저, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 냉각 성능이 안정적으로 확보될 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 모듈의 내부 공간 하부에 열전도도가 높은 충전액을 배치시킴으로써, 배터리 모듈에 포함된 이차 전지의 열이 배터리 모듈 외부로 배출되도록 할 수 있다. 그러므로, 이 경우, 배터리 모듈의 효과적인 냉각이 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 에너지 밀도가 향상될 수 있다.

특히, 본 발명의 경우, 배터리 모듈 하부의 충전액을 통해 모든 이차 전지가 냉각될 수 있으므로, 이차 전지 사이에 종래의 쿨링 핀과 같은 냉각 부재를 별도로 구비시킬 필요가 없다. 따라서, 종래의 쿨링 핀이 차지하는 공간만큼 배터리 모듈의 크기가 줄어들거나 이차 전지의 크기가 증대될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈의 안전성이 효과적으로 확보될 수 있다.

특히, 본 발명의 경우, 배터리 모듈의 내부 공간 상부에 비열, 연소점 및/또는 내전압이 높은 충전액이 채워지도록 함으로써, 배터리 모듈의 온도 상승, 발화 및/또는 절연 파괴가 효과적으로 방지될 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 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다.

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 안 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 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 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 이차 전지(100), 모듈 케이스(200), 하부 충전액(300) 및 상부 충전액(400)을 포함할 수 있다.

상기 이차 전지(100)는, 전극 조립체와 전해액이 외장재에 수납된 형태로 구성되어, 충전 및 방전 동작을 수행할 수 있다. 특히, 상기 이차 전지(100)는, 파우치형 이차 전지일 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지는, 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.

여기서, 전극 조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 조립체는, 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 외장재는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이러한 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 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 및 전해액과 같은 이차 전지(100) 내부의 구성요소나 이차 전지(100) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층 사이에 개재될 수 있다.

특히, 파우치 외장재는, 2개의 파우치, 이를테면 좌측 파우치와 우측 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 내부 공간에는 전극 조립체와 전해액이 수납될 수 있다. 그리고, 2개의 파우치의 외주면에는 실링부가 구비되어 이러한 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체와 전해액이 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.

파우치형 이차 전지는, 전극 리드(110)를 구비할 수 있으며, 이러한 전극 리드(110)에는 양극 리드 및 음극 리드가 포함될 수 있다. 여기서, 각각의 전극 리드(110)는, 플레이트 형태로 구성되어, 2개의 파우치 사이에 개재된 채로 외부로 노출될 수 있으며, 이차 전지(100)의 전극 단자로서 기능할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 파우치형 이차 전지가 채용될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 파우치형 이차 전지(100)는 복수 개 포함될 수 있다. 이에 대해서는, 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 분리 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 파우치형 이차 전지(100)는, 배터리 모듈에 복수 개 포함되어, 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다. 특히, 복수의 파우치형 이차 전지(100)는, 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 적층될 수 있다. 즉, 각각의 파우치형 이차 전지(100)는, 2개의 넓은 면이 좌우 측에 각각 위치하고, 상부와 하부, 전방 및 후방에 실링부가 위치하도록, 대략 지면에 수직하게 세워지는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이와 같이 세워진 형태의 이차 전지(100)는, 인접하는 이차 전지(100)와 넓은 면이 서로 대면되는 형태로 좌우 방향으로 평행하게 배열될 수 있다.

상기 모듈 케이스(200)는, 내부에 빈 공간을 구비하여, 다수의 이차 전지(100)와 하부 충전액(300) 및 상부 충전액(400)을 수용할 수 있다.

예를 들어, 상기 모듈 케이스(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 직육면체 형태의 하부 케이스(210)와 대략 판상의 상부 덮개(220)를 구비할 수 있다. 이 경우, 하부 케이스(210)의 내부 공간에는 상호 적층된 다수의 이차 전지(100)와 하부 충전액(300) 및 상부 충전액(400)이 수용될 수 있다. 그리고, 상부 덮개(220)는, 하부 케이스(210)에 이차 전지(100)가 수용된 상태에서 하부 케이스(210)의 상부 개방부를 덮어, 하부 케이스(210)를 밀폐시킬 수 있다. 이때, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)은, 하부 케이스(210)와 상부 덮개(220)가 상호 결합된 상태에서, 소정의 개구부 등을 통해 하부 케이스(210)의 내부 공간으로 유입될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 모듈 케이스(200)에는, 액체인 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)이 채워지므로, 밀폐 구조를 달성하는 것이 중요하다. 이때, 하부 케이스(210)와 상부 덮개(220) 사이의 체결 구성은, 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 케이스(210)와 상부 덮개(220)는, 레이저 용접 등의 방식으로 상호 체결될 수 있다. 또한, 하부 케이스(210)와 상부 덮개(220)는, 상호 결합되는 부분 사이에 고무와 같은 실링 부재가 구비되어, 밀폐성이 향상되도록 할 수 있다.

상기 하부 충전액(300)과 상기 상부 충전액(400)은, 액체로서, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 함께 수용될 수 있다. 이때, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)은, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 별도로 분리된 공간에 수용되는 것이 아니라, 하나의 공간에 수용될 수 있다. 다만, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)은, 비중이 서로 달라, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 서로 다른 부분에 위치할 수 있다. 즉, 상기 하부 충전액(300)은 상부 충전액(400)보다 높은 비중을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 하부 충전액(300)은 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서 하부에 수용될 수 있다. 그리고, 상기 상부 충전액(400)은, 상기 하부 충전액(300)보다 낮은 비중을 가져, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서, 하부 충전액(300)의 상부에 수용될 수 있다.

한편, 여기서는 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 비중이 서로 다른 2종류의 액체가 포함되어 충전액이 2개의 층을 이루는 구성을 위주로 설명되었으나, 이는 일례에 불과하며, 다른 다양한 형태도 가능하다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에는 비중이 서로 다른 3종류 이상의 액체가 포함되어, 배터리 모듈의 충전액이 3개 이상의 층을 이루는 구성도 가능하다.

본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 팩 케이스 내부에 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)이 함께 존재할 수 있다. 이때, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)은, 이차 전지(100) 주변에 위치하여, 각각의 서로 다른 특성을 통해, 배터리 모듈의 냉각 효율을 향상시키는 한편, 안전성을 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 상기 하부 충전액(300)은, 이차 전지(100)의 적어도 일부에 접촉하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 하부 충전액(300)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 이차 전지(100)의 하부에 접촉하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 하부 충전액(300)은, 모듈 케이스(200)에 수용된 다수의 이차 전지(100) 모두에 대하여 하부에서 접촉하도록 구성될 수 있다.

다수의 이차 전지(100)는, 모듈 케이스(200) 내부에서 상하 방향으로 세워진 형태로 나란하게 수평 방향으로 배열될 수 있다. 따라서, 모든 이차 전지(100)는, 모듈 케이스(200)의 하부에 위치하는 하부 충전액(300)에 접촉할 수 있다.

바람직하게는, 상기 하부 충전액(300)은, 상부 충전액(400)보다 열전도도가 높도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 하부 충전액(300)은, 상온에서 0.5W/m·K 이상의 열전도도를 갖는 물질을 포함하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 하부 충전액(300)의 높은 열전도 특성으로 인해, 이차 전지(100)의 열을 흡수하여 외부로 배출할 수 있다. 특히, 상기 하부 충전액(300)은, 이차 전지(100)의 하부와 접촉하여, 이차 전지(100)의 하부로부터 열을 흡수할 수 있다. 그리고, 흡수된 열은, 하부 충전액(300)을 통해 모듈 케이스(200)로 전달될 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 하부 측이 모듈 케이스(200)의 내면에 직접 접촉되어 있다 하더라도, 이러한 직접적인 접촉 부분 이외에, 하부 충전액(300)을 통해 이차 전지(100)의 열이 모듈 케이스(200)로 전달될 수 있다. 그러므로, 이차 전지(100)와 모듈 케이스(200) 사이의 열 전도 면적이 증대되어 열 전달 효율이 향상될 수 있다.

특히, 이차 전지(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극 리드(110)가 수평 방향 측면, 이를테면 좌우 측면에 위치하고, 하부 측면에는 전극 리드(110)가 위치하지 않도록 구성될 수 있다. 이 경우, 이차 전지(100) 내부의 열이 하부 충전액(300) 측으로 보다 쉽게 전달될 수 있다. 이차 전지(100) 내부 구조상, 열은, 두께 방향보다는 상하 길이 방향으로 전달되기 쉽다. 예를 들어, 도 1의 이차 전지(100) 구성에서, 상하 방향 열전도도는 30W/m·K인 반면, 두께 방향 열전도도는 0.8W/m·K로 상대적으로 매우 작다. 따라서, 상기 구성과 같이, 하부 충전액(300)이 이차 전지(100)의 하부 방향에 위치하는 경우, 열이 상하 방향으로 이동할 수 있게 되므로, 열이 이차 전지(100)의 어느 부분에서 발생하더라도 하부 충전액(300)으로 쉽게 전달될 수 있다.

더욱이, 하부 충전액(300)은, 모든 이차 전지(100)와 접촉할 수 있다. 따라서, 하부 충전액(300)은, 모든 이차 전지(100)로부터 열을 흡수할 수 있다.

이와 같은 구성에 있어서, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매 파이프(500)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 냉매 파이프(500)는, 중공이 형성되어 내부 공간을 통해 액체나 기체와 같은 냉매가 흐를 수 있도록 만들어진 구성요소이다. 예를 들어, 상기 냉매 파이프(500)는 히트 싱크일 수 있다. 이러한 냉매 파이프(500)는, 모듈 케이스(200)의 하부에 위치할 수 있다. 더욱이, 냉매 파이프(500)는, 모듈 케이스(200)의 하면에 직접 접촉하도록 구성될 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 하부 충전액(300)을 통해 모듈 케이스(200)의 하부로 전달된 이차 전지(100)의 열이, 냉매 파이프(500)를 통해 배터리 모듈의 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 열이, 외부로 신속하게 배출되어 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.

다만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 모듈 케이스(200)의 하부에는, 별도의 파이프가 구비되지 않고, 공기 등의 냉매가 직접 공급되도록 할 수 있다. 예를 들어, 모듈 케이스(200)는 공기에 의한 자연 냉각이 이루어지는 형태로 구성될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 구성에 있어서, 모듈 케이스(200)는, 적어도 하부가 열전도도가 높은 재질, 이를테면 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하부 케이스(210)는, 적어도 바닥면이 알루미늄이나 스틸과 같이 열전도도가 높은 금속 재질로 구성될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 상부 충전액(400)은, 하부 충전액(300)보다 비열이 높도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 상부 충전액(400)은, 2000J/kg·K 이상의 비열을 갖는 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상부 충전액(400)의 높은 비열로 인해, 배터리 모듈의 온도 상승이 효과적으로 억제될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100) 내부에서 열이 발생하거나 이차 전지(100) 외부의 버스바 등에서 열이 발생하더라도, 상부 충전액(400)으로 인해, 배터리 모듈의 온도가 크게 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 외부에서 열이 비정상적으로 발생하거나, 여름과 같은 고온 환경에 놓이는 경우에도, 상부 충전액(400)에 의해 배터리 모듈 외부의 열이 이차 전지(100)로 전달되는 것을 억제할 수 있다.

그러므로, 이 경우, 배터리 모듈 내외부의 온도 상승으로 인한 이차 전지(100)의 성능 저하나, 배터리 모듈의 각 구성요소의 파손 등을 방지할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 상부 충전액(400)은, 하부 충전액(300)보다 연소점이 높도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 상부 충전액(400)은, 300℃ 이상의 연소점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상부 충전액(400)의 높은 연소점으로 인해, 배터리 모듈의 발화가 효과적으로 방지될 수 있다. 예를 들어, 이차 전지(100) 내외부에서 비정상적으로 높은 열이 발생하더라도, 높은 연소점을 갖는 상부 충전액(400)은 쉽게 발화되지 않아, 배터리 모듈의 화재를 방지할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 상부 충전액(400)은, 하부 충전액(300)보다 내전압이 높도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 상부 충전액(400)은, 70kV 이상의 내전압을 갖는 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상부 충전액(400)의 높은 내전압 특성으로 인해, 배터리 모듈의 전기적 절연이 안정적으로 달성될 수 있다. 더욱이, 상기 상부 충전액(400)은, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 수납된 이차 전지(100)의 전극 리드(110)와 접촉할 수 있다. 그리고, 전기 자동차용 배터리 팩 등의 경우, 고출력을 달성하기 위해 전압이 매우 높다. 따라서, 내부 단락 등을 방지하기 위하여, 상부 충전액(400)은 높은 내전압 특성을 가짐으로써, 배터리 모듈 내부의 전기적 절연 특성이 안정적으로 확보되는 것이 좋다.

특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 이차 전지(100), 특히 모든 이차 전지(100)는, 전극 리드(110)가 상부 충전액(400)에 전체적으로 침지되도록 구성될 수 있다. 즉, 상부 충전액(400)은, 모듈 케이스(200)에 충전된 상태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내부에 수납된 모든 이차 전지(100)의 전극 리드(110)에 대하여, 전체 부분에 접촉하도록 구성될 수 있다.

특히, 상부 충전액(400)은, 높은 내전압 특성을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)의 전극 리드(110)가, 높은 내전압 특성을 갖는 상부 충전액(400)에 주로 접촉되므로, 전극 리드(110) 사이의 전기적 절연성이 보다 안정적으로 확보될 수 있다.

상기 상부 충전액(400)은, 이차 전지(100)의 상부와 측부 주변을 감싸도록 구성될 수 있다. 특히, 상부 충전액(400)은, 모듈 케이스(200) 내부에 수용된 모든 이차 전지(100)의 상부와 측부에 접촉하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상부 충전액(400)은, 모든 이차 전지(100)의 온도 상승, 발화 및/또는 전기적 절연 파괴를 억제하여, 배터리 모듈의 안전성을 효과적으로 확보할 수 있다.

한편, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에서, 상부 충전액(400)과 하부 충전액(300)은, 액체의 특성 상, 배터리 모듈의 움직임이나 충격, 진동 등에 의해 움직일 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 전극 리드(110)는, 상황에 따라 상부 충전액(400)뿐 아니라 하부 충전액(300)에도 접촉될 수 있다. 따라서, 상부 충전액(400)과 하부 충전액(300)은 모두, 전기적 절연성을 갖는 물질로 구성될 수 있다.

특히, 상기 상부 충전액(400), 또는 상부 충전액(400)과 하부 충전액(300)은, 절연유로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 충전액(400)은, 식물성 절연유로 이루어질 수 있다. 특히, 식물성 절연유는, 식물성 에스테르를 포함할 수 있다. 여기서, 식물성 에스테르는, 콩과 같은 천연 식물군, 이를테면 천연 대두유의 에스테르화 반응을 통해 형성될 수 있다. 이러한 천연 대두유는, 대략 18~20%의 유지 성분과 대략 80%의 지방산으로 이루어질 수 있다. 상기 상부 충전액(400)은, 이러한 천연 대두유의 에스테르화 반응을 통해 식물성 에스테르를 포함하는 식물성 절연유를 형성할 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 모듈의 제조나 폐기 시, 환경 오염 문제가 예방될 수 있고, 인체에 대한 유해성이 차단될 수 있다. 또한, 이러한 친환경적이며 인체에 무해한 식물성 절연유를 통해, 상부 충전액(400)이 달성하고자 하는 고비열, 고연소점 및/또는 고내전압 특성이 용이하게 확보될 수 있다.

또한, 상기 하부 충전액(300)은, 증류수로 구성될 수 있다. 이러한 증류수의 경우, 전기적 절연성이 있고, 절연유보다 비중이 높아 모듈 케이스(200)의 하부에 용이하게 위치시킬 수 있다. 그리고, 이러한 증류수는, 높은 열전도율로 인하여 이차 전지(100)의 열을 모듈 케이스(200) 측으로 신속하고 원활하게 전달하여, 배터리 모듈의 냉각 성능을 안정적으로 확보할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 충전액(400)의 고비열, 고연소점 및/또는 고내전압 특성으로 인해, 배터리 모듈의 온도 상승 내지 발화가 억제되고, 전기적 절연이 확보될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 상부 충전액(400)에 의해 배터리 모듈의 안전성이 향상될 수 있다.

더욱이, 상기 상부 충전액(400)은 하부 충전액(300)에 비해, 모듈 케이스(200) 내부에 많은 양으로 충전될 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 충전액(400)은, 전체 충전액 대비 80% 이상 포함될 수 있다. 특히, 이차 전지(100)는, 대략 70% 이상의 면적에서 상부 충전액(400)과 접촉하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 충분한 양의 상부 충전액(400)이 포함됨으로써, 안전성이 효과적으로 향상될 수 있다.

반면, 하부 충전액(300)은 상부 충전액(400)보다 적은 양으로 포함되더라도, 모든 이차 전지(100)의 열이 배터리 모듈의 하부로 배출될 수 있으므로, 냉각은 효율적으로 이루어질 수 있다.

상기 상부 충전액(400) 및 상기 하부 충전액(300)은, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에 가득 채워지도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 모듈 케이스(200)의 내부 공간에는 빈 공간이 없이, 상부 충전액(400)과 하부 충전액(300)으로 모두 채워질 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상부 충전액(400)과 하부 충전액(300)의 유동이 제한되어 상부 충전액(400)과 하부 충전액(300)의 위치가 최대한 유지될 수 있다. 또한, 충분한 양의 상부 충전액(400)이 이차 전지(100) 주변에 위치하도록 함으로써, 상부 충전액(400)에 의한 이차 전지(100)의 온도 상승이나 발화에 대한 안전성이 확보될 수 있다. 그리고, 상부 충전액(400)이 이차 전지(100)의 전극 리드(110)에 안정적으로 위치하여, 전극 리드(110)의 절연성도 우수하게 확보할 수 있다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 도 3은, 도 2의 구성에서, 모듈 케이스(200)에 이차 전지(100)와 하부 충전액(300) 및 상부 충전액(400)이 모두 수용되었을 때, A1-A1'선에 대한 단면의 일 형태라 할 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 이차 전지(100)는, 인접하는 이차 전지(100)와 대면 접촉되게 적층될 수 있다. 즉, 상기 이차 전지(100)는, 상하 방향으로 세워진 형태로 좌우 방항으로 나란하게 배치되되, 인접하는 이차 전지(100)와 넓은 면이 서로 직접 닿도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 동일한 공간에서 최대한 많은 수의 이차 전지(100)가 포함될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈의 에너지 밀도가 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 각 이차 전지(100)의 하부에 접촉된 하부 충전액(300)에 의해 이차 전지(100)의 열이 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 종래 배터리 모듈에서 이차 전지(100) 사이에 개재되던 판상의 쿨링 핀 등이 포함될 필요가 없다. 그러므로, 쿨링 핀이 차지하는 두께만큼 이차 전지(100)가 더 포함되거나 배터리 모듈의 부피가 줄어들 수 있다.

또한, 도 3을 참조하면, 이차 전지(100)는, 모듈 케이스(200)의 내부 공간 하면, 즉 바닥면에 직접 접촉된 형태로 세워질 수 있다. 이때, 모듈 케이스(200)의 바닥면의 상부에는 이차 전지(100)의 형상에 대응되는 형태로 요철부가 형성될 수 있다.

특히, 이차 전지(100)는, 하측 실링부가 적어도 일 방향으로 폴딩될 수 있다. 이때, 폴딩된 하측 실링부는, 도면에서 G로 표시된 바와 같은, 오목부에 삽입되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 이차 전지(100)와 모듈 케이스(200)의 바닥면 사이의 간격이 가까워지므로, 이차 전지(100)로부터 모듈 케이스(200)의 바닥면으로의 열전달 양 및 속도가 증대될 수 있다.

한편, 이차 전지(100)는, 모듈 케이스(200)의 바닥면에 직접 접촉하여 세워지지 않고, 카트리지와 같은 다른 구성요소에 의해 지지되어 세워질 수도 있다.

도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 도 4는, 도 3의 구성에 대한 일 변형례라 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 모듈 케이스(200)의 바닥면에는, B로 표시된 바와 같이, 하부 방향으로 오목한 형태의 유입홈이 형성될 수 있다. 이러한 유입홈(B)은, 이차 전지(100)의 길이 방향을 따라 길게 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 이차 전지(100)가 배터리 모듈의 전후 방향으로 길게 연장되는 형태로 세워진 경우, 유입홈(B) 역시, 배터리 모듈의 전후 방향으로 길게 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 하부 충전액(300)은, 이러한 모듈 케이스(200)의 유입홈(B)에 유입되어 채워질 수 있다.

여기서, 하부 충전액(300)이 채워지는 유입홈(B)은, 이차 전지(100)의 하측 실링부, 특히 폴딩된 실링부가 삽입되는 오목부(G)와는 별도로 구성될 수 있다. 즉, 모듈 케이스(200)는, 실링부가 삽입되는 오목부(G)와는 별도로, 실링부가 삽입되지 않고 하부 충전액(300)만 채워지는 유입홈(B)을 구비할 수 있다. 따라서, 이러한 유입홈(B)의 경우, 실링부가 삽입될 필요없이, 하부 충전액(300)만 유입되어 흐를 수 있는 경로를 제공하면 되므로, 오목부(G)보다 크기, 이를테면 깊이나 폭이 작게 구성될 수 있다.

또한, 하부 충전액(300)이 채워지는 유입홈(B)은, 적어도 이차 전지(100)의 길이보다 긴 길이를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 유입홈(B)의 전후 방향 길이는, 이차 전지(100)의 전후 방향 길이보다 길게 구성될 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈을 상부에서 하부 방향으로 바라볼 때, 상기 유입홈은, 이차 전지(100)의 전후 측에 노출될 수 있다. 따라서, 하부 충전액(300)은 이차 전지(100)의 전후 측에서 유입홈으로 유입되어 유입홈을 따라 퍼져 나갈 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 이차 전지(100)의 수평 길이 방향으로 길게 형성된 유입홈을 따라 하부 충전액(300)이 이동할 수 있다. 따라서, 이차 전지(100)의 하부 전체 부분으로 하부 충전액(300)이 넓게 퍼질 수 있다. 그러므로, 하부 충전액(300)을 통한 이차 전지(100)의 냉각 효율이 보다 증대되고, 이차 전지(100)와 모듈 케이스(200)의 바닥면 사이의 공간에 공기가 최대한 제거되도록 할 수 있다.

도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 정단면도이다. 도 5는, 도 3의 구성에 대한 다른 변형례라 할 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 모듈 케이스(200)는, P로 표시된 바와 같이, 측면 내부에 내측 방향으로 볼록하게 형성된 경계돌출부를 구비할 수 있다. 특히, 상기 경계돌출부(P)는, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400) 사이의 경계면에 위치할 수 있다. 이 경우, 경계돌출부(P)의 상부에는 상부 충전액(400)이 위치하고, 경계돌출부(P)의 하부에는 하부 충전액(300)이 위치할 수 있다.

본 발명의 이러한 구성에 의하면, 경계돌출부(P)에 의해, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400) 사이의 경계가 확실하게 나누어질 수 있다. 따라서, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)의 위치가 보다 안정적으로 유지될 수 있다. 즉, 경계돌출부(P)에 의해, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400) 사이의 상호 간 위치 이동이 제한될 수 있다. 그러므로, 이 경우, 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)의 각 특성이 보다 효과적으로 발휘될 수 있다.

더욱이, 상기 경계돌출부(P)는, 최외곽 이차 전지(100)의 측면에 접촉하도록 구성될 수 있다. 즉, 다수의 이차 전지(100)가 좌우 방향으로 나란하게 배치된 경우, 경계돌출부(P)는 모듈 케이스(200)의 좌측부와 우측부 내부에 형성되어, 가장 좌측에 위치한 이차 전지(100) 및 가장 우측에 위치한 이차 전지(100)에 각각 접촉하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 경계돌출부(P)에 의해 최외곽 이차 전지(100)의 외측에서 하부 충전액(300)과 상부 충전액(400)의 이동이 보다 확실하게 억제될 수 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(Battery Management System), 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 자동차나 하이브리드 자동차 등에 적용되는 중대형 배터리 모듈의 경우, 많은 수의 이차 전지를 포함할 뿐 아니라, 각 이차 전지의 출력 전류 또한 큰 경우가 많다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 적용으로, 자동차용 배터리 팩의 냉각 성능과 안전성을 보다 효과적으로 확보할 수 있다.

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

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.

100: 이차 전지
110: 전극 리드
200: 모듈 케이스
210: 하부 케이스, 220: 상부 덮개
300: 하부 충전액
400: 상부 충전액
500: 냉매 파이프

Claims

상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 적층된 다수의 파우치형 이차 전지;
상기 다수의 이차 전지를 내부 공간에 수납하는 모듈 케이스;
상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 하부에 수용되고, 상기 다수의 이차 전지의 적어도 하부에 접촉하는 하부 충전액; 및
상기 하부 충전액보다 낮은 비중을 가져 상기 모듈 케이스의 내부 공간에서 상기 하부 충전액의 상부에 수용된 상부 충전액
을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 하부 충전액은, 상기 상부 충전액보다 열전도도가 높은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제2항에 있어서,
상기 하부 충전액은, 0.5W/m·K 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 상부 충전액은, 상기 하부 충전액보다 비열이 높은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제4항에 있어서,
상기 상부 충전액은, 2000J/kg·K 이상의 비열을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 상부 충전액은, 상기 하부 충전액보다 연소점이 높은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제6항에 있어서,
상기 상부 충전액은, 300℃ 이상의 연소점을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 상부 충전액은, 상기 하부 충전액보다 내전압이 높은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제8항에 있어서,
상기 이차 전지는, 전극 리드가 상기 상부 충전액에 전체적으로 침지된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 이차 전지는, 인접하는 이차 전지와 대면 접촉되게 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 모듈 케이스는 바닥면에 이차 전지의 길이 방향을 따라 길게 연장되는 형태로 유입홈이 형성되고,
상기 하부 충전액은 상기 모듈 케이스의 유입홈에 채워진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항에 있어서,
상기 모듈 케이스는, 측면 내부에 내측 방향으로 볼록하게 형성된 경계돌출부를 구비하여, 상기 경계돌출부가 상기 하부 충전액과 상기 상부 충전액 사이의 경계에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.