KR20220131492A - 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 그 배터리 시스템 - Google Patents

냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 그 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 이의 배터리 시스템을 제공한다. 냉각 카트리지는 단일 축으로 적층된 배터리 유닛들 사이에 배치되도록 활용된다. 냉각 카트리지의 지지부는 배터리 유닛의 집전 시트에 넓은 면적으로 직접 접촉된다. 그리고 지지부의 양측에서 연장된 날개부는 금속 하우징의 내부 측벽에 직접 접촉된다. 따라서, 배터리 셀에 대한 대면적의 방열 경로가 제공되고, 배터리셀의 성능 및 안정성이 크게 향상된다.

Description

냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 그 배터리 시스템{BATTERY MODULE WITH COOLING CARTRIDGE AND BATTERY SYSTEM THEREOF}
본 출원은 2021년 3월 18일에 대만 특허청에 출원된 대만특허출원 제110109698호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 특히 배터리 모듈 및 냉각 카트리지를 갖는 이의 배터리 시스템에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 다양한 휴대용 전자 제품들, 전기 자동차들, 전력 저장 스테이션들의 급속한 발전으로 높은 에너지 저장 밀도와 환경 보호를 모두 갖춘 에너지 저장 디바이스들에 대한 높은 수요가 존재한다. 이온 이차 배터리들은 최적의 해결책이다. 또한, 리튬 이온 이차 배터리들, 마그네슘 이온 이차 배터리들, 나트륨 이온 이차 배터리들과 같은 다양한 이차 배터리들이 개발되어 왔다. 실제로 배터리 셀을 형성하기 위해 적층 및 연결된 복수의 배터리 유닛들이 가장 일반적인 방법이다. 다양한 디바이스들에 적용될 수 있는 충분한 용량이 달성된다.
기존 배터리 셀들의 방열 방법은, 수개의 적층된 배터리 유닛들에 의해 형성된 바닥 표면과 접촉하기 위한 추가적인 열 전도성 금속 플레이트/블록을 사용하거나, 또는 충전 및 방전 도중에 배터리 셀에서 생성된 열을 제거하기 위하여 액체 또는 기체를 통과하여 흐르게 할 수 있는 내부 금속의 흐름 채널을 사용하는 것이다. 예를 들어, CN205992578U에 개시된 바와 같이, 배터리 유닛들은 배터리 셀을 형성하기 위해 하나씩 수직으로 배치된다. 배터리 유닛들의 단자들이 상부에 있기 때문에, 열 전도성 금속 플레이트/블록이 배터리 유닛들의 하부에 배치될 것이다.
그러나 배터리 유닛들이 수직으로 배치되기 때문에, 열전도성 금속 플레이트/블록은 각 배터리 유닛들의 오로지 하부 단부들과 접촉할 수 있다. 각 배터리 유닛들의 접촉 면적은 매우 작다. 방열 효율은 매우 열악하고, 냉각 효과는 균일하지 않다.
또한, 열전도성 금속 플레이트/블록 또는 내부 금속의 흐름 채널이 추가되기 때문에, 배터리 모듈의 전체 체적이 증가된다. 전체 배터리 모듈의 구조는 더욱 복잡해질 것이다. 또한 조립 프로세스가 더 복잡해질 것이다.
본 발명의 주요 목적은 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 그 배터리 시스템을 제공하는 것이다. 냉각 카트리지는 배터리 유닛의 집전 시트에 대면적으로 직접 접촉하여 배터리 셀에 대한 대면적 방열 경로를 형성한다.
본 발명의 다른 목적은 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 그 배터리 시스템을 제공하는 것이다. 2개의 인접한 배터리 모듈들의 접합 부분들은 배터리 시스템의 전체 체적을 줄이기 위해 미스얼라인(misaligned)되도록 배열된다.
상술한 것을 구현하기 위해, 본 발명은 배터리 셀, 금속 하우징 및 적어도 하나의 냉각 카트리지를 포함하는 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈을 개시한다. 배터리 셀은 단일 축을 따라 적층된 복수의 배터리 유닛들에 의해 형성된다. 각 배터리 유닛은 독립적이고 완전한 모듈이며, 두 개의 집전 시트들과 그 사이에 배치된 전기화학 시스템을 포함한다. 냉각 카트리지는 지지부 및 지지부의 가장자리로부터 연장된 적어도 하나의 날개 부분을 포함한다. 냉각 카트리지의 지지부는 임의의 2개의 배터리 유닛들 사이에 배치되고, 2개의 배터리 유닛들의 동일한 극성을 갖는 집전 시트들과 접촉한다. 날개 부분은 금속 하우징의 내부 측벽에 접촉한다. 따라서, 배터리 셀에 대한 대면적 방열 경로가 제공되고, 배터리 셀의 성능 및 안정성이 크게 향상된다.
또한, 본 발명은 전술한 복수의 배터리 모듈들로 구성된 배터리 시스템을 개시한다. 접합 부분은 금속 하우징의 상부 케이스와 하부 케이스에 의해 외측으로 연장되고 형성된다. 그리고 2개의 인접하는 배터리 모듈들의 접합 부분들이 미스얼라인되어 배터리 시스템의 전체 체적을 감소시킨다. 접합 부분들에 의한 간극 형성은 냉각 채널의 역할을 한다. 따라서, 배터리 시스템의 추가적인 방열 시스템은 배터리 시스템의 전체 체적을 더 줄일 필요가 없다.
본 발명의 적용 가능성의 추가 범위는 이하에 주어진 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예들은, 본 발명의 사상과 범주 내의 다양한 변경들 및 수정들이 본 상세한 설명으로부터 당업자들에게는 자명해질 것이므로, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내면서 단지 예시로서 주어진 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 단지 아래의 예시에 제공된 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이며, 따라서 본 발명을 제한하지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 실시예들의 개략도들.
도 2a는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 배터리 유닛의 실시예의 개략도.
도 2b는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 배터리 유닛의 다른 실시예의 개략도.
도 2c는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 배터리 유닛의 실시예의 분해도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 실시예들의 개략도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 다른 실시예들의 개략도들.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 다른 실시예들의 개략도들.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈의 다른 실시예들의 개략도들.
도 7은 본 발명의 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈들로 구성된 배터리 시스템의 실시예의 개략도.
본 발명은 특정 실시예들에 관하여 그리고 특정 도면들을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 청구항들에 의해서만 제한된다. 청구항들에서 임의의 참조 부호들은 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 설명된 도면들은 오로지 개략적이고 제한적이지 않다. 도면들에 있어서, 일부 요소들의 크기는 예시 목적들을 위해 과장될 수 있고, 축척에 따라 도시되지 않을 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 오로지 특정 실시예들을 설명하기 위한 것으로, 일반적인 발명의 개념을 한정하려 의도하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들은 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하도록 의도된다. 달리 정의되지 않는한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들(기술 및 과학 용어들을 포함)은 예시적인 실시예들이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전들에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 맥락에서의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명시적으로 그렇게 정의되어 있지 않다면 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 함이 추가로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치들에서 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"라는 문구들의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 본 개시사항으로부터 당업자에게 명백한 바와 같이 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
본 발명의 설명에서, "설치", "연결된" 및 "배치된"이라는 용어들은 넓게 이해되어야 하며, 고정되거나 분리될 수 있으며, 예를 들어 기계적 또는 전기적일 수 있고, 직접적으로 또는 두 구성 요소 사이의 내부 연결이 될 수 있는 중간 매체를 통해 간접적으로 연결될 수 있음을 주목해야 한다. 본 발명에서 상기 용어들의 구체적인 의미는 특정 상황들에서 당업자에 의해 이해될 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조한다. 본 발명은 배터리 셀(11), 금속 하우징(30) 및 적어도 하나의 냉각 카트리지(40)를 포함하는 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈(1)을 개시한다. 배터리 셀(11)은 단일 축을 따라 적층된 복수의 배터리 유닛(20)에 의해 형성된다. 도 1a 또는 도 1b에 도시된 바와 같이, 배터리 유닛들(20)은 수직 Z-축을 따라 적층되어 병렬로 연결된다. 더욱이, 배터리 유닛들(20)은 또한 직렬로 또는 직렬 및 병렬로 연결될 수 있다. 각 배터리 유닛(20)은 독립적이고 완전한 모듈이다.
도 2a 및 도 2c를 참조한다. 배터리 셀(11)은 독립적이고 밀봉된 완전한 모듈을 갖는 배터리 유닛들(20)로 구성된다. 배터리 유닛(20)은 2개의 집전 시트들(24, 25), 전기화학 시스템(201) 및 밀봉 프레임(26)을 포함한다. 전기화학 시스템(201)는 분리막(21), 2개의 활물질 층들(22, 23) 및 활물질 층들(22,23)에 함침 또는 혼합된 전해질 시스템을 포함한다. 분리막(21)는 중합체들 또는 유리섬유들에 의해 형성된 다공성 적층체일 수 있고, 분리막(21)은 세라믹 재료들에 의해 적층 또는 소결되어 이온 이동을 허용하는 구멍들을 갖는 세라믹 분리막일 수 있다. 구멍들은 관통 구멍들 또는 개미 구멍들, 즉 비-직선 관통 구멍들이다. 또한, 분리막(21)은 세라믹 입자 강화층을 갖거나, 세라믹 입자들과 이온-전도성 중합체들과 혼합된 분리막을 갖는 다공성 적층일 수 있다. 세라믹 입자들의 크기는 나노미터 스케일, 마이크로미터 스케일 또는 나노미터 스케일과 마이크로미터 스케일과의 혼합과 같이 적어도 2개의 더 큰 상이한 스케일과의 혼합된 스케일이다. 세라믹 입자들의 재료는 TiO2, Al2O3, SiO2, 알킬화된 세라믹 미립자들, 또는 LLZO(리튬 란탄 지르코늄 산화물, Li7La3Zr2O12) 또는 LATP(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3)와 같은 산화물-기반 고체 전해질이다. 또한, 세라믹 재료는 세라믹 절연 재료들 및 산화물-기반 고체 전해질과 혼합될 수 있다. 분리막(21)은 세라믹 재료들로 적층되는 경우, 이러한 세라믹 입자들을 결합시키기 위해 사용되는 중합체 접착제를 더 포함할 수 있다. 중합체 접착제는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 코-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP), 폴리테트라플루오로에텐(PTFE), 아크릴산 접착제, 에폭시 수지, 폴리에틸렌 산화물(PEO), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 폴리이미드(PI)일 수 있다.
전해질 시스템은 활물질 층들(22, 23)에서 함침 또는 혼합된다. 전해질 시스템은 겔 전해질, 액체 전해질, 고체 전해질, 또는 이들의 조합이다. 활물질 층들(22, 23)은 분리막(21)에 의해 분리되어 전기화학 시스템(201)을 형성한다. 따라서, 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되는 방전 프로세스와 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되는 충전 프로세스가 수행된다. 이온 이동 및 수송이 이루어진다. 전하들은 집전 시트들(24, 25)을 통해 전달된다. 집전 시트들(24, 25)의 재료들은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 주석(Sn), 은(Ag), 금(Au), 또는 앞의 금속들 중 적어도 하나로 이루어진 합금이다.
또한, 2개의 집전 시트들(24, 25)과 밀봉 프레임(26)은 배터리 유닛(10)의 패키지 구조의 역할을 한다. 밀봉 프레임(26)은 폴리머 재료로 이루어진다. 집전 시트들(24, 25)의 표면들에 접착될 수 있고 전해질 시스템에 내구성이 있는 한, 중합체 재료에 대해 임의의 특별한 요건들을 갖지 않지만, 열경화성 수지가 바람직하다. 예를 들어, 밀봉 프레임(26)의 재료들은 에폭시, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 열가소성 폴리이미드(TPI), 실리콘, 아크릴 수지 및/또는 자외선 경화형 접착제를 포함한다. 밀봉 프레임(26)은 2개의 집전 시트들(24, 25)의 가장자리들 사이에 배치되고, 전기화학 시스템(201), 즉 2개의 활물질층(22, 23) 및 그 사이에 배치된 분리막(21)을 둘러싼다. 또한, 밀봉 프레임(26)은 2개의 집전 시트들(24, 25)에 접착되고 그 사이의 전해질 시스템을 밀봉하여 누출을 방지한다. 따라서, 밀봉 프레임(26)에 의한 밀봉으로 인해, 전해질 시스템은 다른 배터리 유닛의 전해질 시스템과 접촉하지 않는다. 예를 들어, 즉, 전해질 시스템은 임의의 인접한 배터리 유닛들(20) 사이에서 순환하지 않는다. 즉, 전해질 시스템은 각 배터리 유닛들(10) 내에서만 순환한다. 따라서, 두 개의 집전 시트들(24, 25)과 밀봉 프레임(26)은 배터리 유닛(20)의 패키지 구조의 역할을 하여, 독립적으로 전력을 생성할 수 있는 독립적이고 밀봉된 완전한 모듈을 형성한다.
밀봉 프레임(26)의 접착력을 향상시키기 위해, 실리콘이 사용되는 경우, 밀봉 프레임(26)은 2개의 변성된(modified) 실리콘 층들(261, 262)과 2개의 변성된 실리콘 층들(261, 262) 사이에 배치된 실리콘 층(263)을 포함할 수 있다. 도 2b를 참조하면, 변성된 실리콘 층들(261, 262)은, 상이한 재료, 즉 집전 시트들(24, 25)의 재료에 대한 접착을 강화하기 위하여, 실리콘층(263)과 비교하여 축합형 실리콘과 부가형 실리콘의 비율을 조절함으로써 변성된다. 따라서, 집전 시트들(24, 25)과 밀봉 프레임(26)의 계면들 사이의 접착력이 향상된다. 전반적인 외관이 더 완벽하고 생산 수율이 향상된다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 금속 하우징(30)은 상부 케이스(31)와 하부 케이스(32)를 포함한다. 전기 절연 플레이트(33)가 상부 케이스(31)와 하부 케이스(32) 사이에 배치되어, 상부 케이스(31)가 하부 케이스(32)에 전기적으로 연결되는 것을 방지한다. 즉, 상부 케이스(31)와 하부 케이스(32)는 서로 전기적으로 절연되어 있다. 전기 절연 플레이트(33)는 전기 절연 재료들로 이루어지며, O-링 또는 와셔일 수 있다. 금속 하우징(30)은 배터리 셀(11) 내부를 캡슐화하거나 밀봉하기 위해 사용된다. 상부 케이스(31) 및 하부 케이스(32)는 각각 상이한 극성을 갖는 배터리 셀(11)의 출력부들에 전기적으로 연결되어 양의 단자 및 음의 단자를 형성한다. 도면들에 도시된 바와 같이, 양의 단자는 상부 케이스(31)에 의해 형성되고, 음의 단자는 하부 케이스(32)에 의해 형성된다. 냉각 카트리지(40)는 임의의 2개의 배터리 유닛들(20) 사이에 삽입 배치되어, 대면적 방열 경로를 제공한다. 도 3a를 참조하면, 냉각 카트리지(40)는 지지부(41)와 지지부(41)의 가장자리로부터 연장된 적어도 하나의 날개부(42)를 포함한다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 2개의 날개부들(42)은 지지부(41)의 2개의 대향 가장자리들로부터 연장되어, U자형 냉각 카트리지(40)를 형성한다. 또한 도 3b을 참조하면, 지지부(41)의 모든 가장자리들로부터 연장된 4개의 날개부들(42)을 가질 수 있다. 도면들에서 날개부들(42)의 형상 및 양은 단지 예시를 위해 사용된 것으로, 이러한 형상 및 양에 제한되지 않는다.
도 1a 및 도 3a를 참조하면, 냉각 카트리지(40)는 높은 열-전도성 금속 재료들로 이루어진다. 냉각 카트리지(40)의 지지부(41)의 면적은 배터리 유닛(20)의 집전 시트들(24, 25) 중 어느 하나의 면적보다 약간 크다. 따라서, 배터리 유닛(20)은 냉각 카트리지(40)의 지지부(41) 상에서 지지되고, 냉각 카트리지(40)의 지지부(41)는 넓은 면적에서 배터리 유닛(20)의 집전 시트(24, 25)에 직접 접촉한다. 날개부(42)는 도면의 상부 방향에서와 같이 수직으로 연장되고, 도면의 상부 케이스(31)와 같이 금속 하우징(30)의 내부 측벽에 직접 접촉한다. 따라서, 충전 및 방전 도중에 배터리 셀(11)에 의해 생성된 열에너지는 냉각 카트리지(40) 및 금속 하우징(30)을 통해 외부로 방출된다. 배터리 유닛들(20)은 냉각 카트리지(40)의 지지부(41)에 의해 집전 시트들(24,25)을 통해 지지된다. 따라서, 이들의 접촉 면적은 매우 크다. 또한, 냉각 카트리지들(40)의 날개부들(42)은 수직으로 연장되어 위 아래로 연장된다. 따라서, 날개부들(42)은, 단부 또는 가장자리 표면이 아니라, 가장 큰 면적을 갖는 그들의 표면들에 의해 금속 하우징(30)의 내부 측벽과 접촉된다. 따라서 냉각 카트리지(40)의 방열 효율은 매우 양호하다.
또한, 도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 유닛들(20)은 수직으로 적층되어 배터리 셀(11)을 형성한다. 냉각 카트리지(40)의 지지부(41)의 양측은 배터리 유닛들(20)과 접촉된다. 냉각 카트리지(40)는 전기 전도성이다. 따라서, 냉각 카트리지(40)의 지지부(41)의 양측은 배터리 유닛(20)의 동일한 극성을 갖는 집전 시트(24, 25)와 접촉해야 하고, 냉각 카트리지(40)의 날개부들(42)은 동일한 극성을 갖는 상부 케이스(31) 또는 하부 케이스(32)와 접촉되어야 한다. 즉, 냉각 카트리지(40)는 전기 전도체로 사용될 수 있다. 또한, 전기절연 층(401)이 날개부(401)의 내측에 배치되어, 날개부(42)가 배터리 유닛(20)의 측 표면과 접촉되는 것을 회피한다.
예를 들어, 도 1a의 실시예를 참조하면, 냉각 카트리지(40)는 양의 측에 배치된다, 즉 상부 케이스(31)의 내부 측벽에 접촉된다. 냉각 카트리지(40)의 지지부(41)의 양측은 동일한 극성을 갖는 집전 시트(24, 25)와 접촉된다. 또한, 배터리 유닛들(20)은 전-후 적층 관계로 서로 접촉된다. 연결 플레이트들(51)은 동일한 극성을 갖는 집전 시트(24, 25)를 연결하여 병렬 연결 배열을 형성하는데 사용된다. 한편, 도 1b를 참조하면, 냉각 카트리지(40)는 음의 측에 배치될 수 있다. 배치 및 연결은 유사하므로 반복되는 설명은 생략된다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상부 케이스(31) 또는 하부 케이스(32) 중 어느 한 측 내에 하나 이상의 냉각 카트리지(40)를 가질 수도 있다. 도시된 바와 같이, 상부 케이스(31)의 양의 측 또는 하부 케이스(32)의 음의 측 내에 각각 2개의 냉각 카트리지들(40)이 존재할 수 있다. 병렬로 연결된 두 세트의 배터리 유닛들(20)은 연결 플레이트들(51)을 통해 연결되어, 병렬 연결 배열을 형성한다. 연결 플레이트(51)는 냉각 카트리지(40)의 날개 부분(42)이 없는 측을 통과한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 연결 플레이트들(51)은 상부 우측 또는 하부 좌측을 통과할 수 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 냉각 카트리지(40)가 4개 면들 모두의 날개부들(42)을 갖는 경우, 날개부들(42) 중 하나는 연결 플레이트들(51)이 통과할 수 있는 슬롯을 가질 수 있다. 도면들에서 냉각 카트리지(40)의 양 및 위치들은 예시 목적으로만 사용되며, 이러한 양 및 위치들로 제한되지 않는다.
또한, 동일한 방향으로의 상술한 적층을 제외하고, 배터리 유닛들(20)은 직렬 및 병렬 연결 모두로 적층될 수 있다. 도 5a를 참조하면, 배터리 유닛들(20)은 직렬 및 병렬 연결들 모두로 적층된다. 3개의 배터리 유닛들(20)은 한 그룹으로 형성되고, 각 그룹은 각각의 냉각 카트리지(40)를 갖는다. 그룹 내에서, 3개의 배터리 유닛들(20)은 전-후 적층 관계로 배열된다. 연결 플레이트들(51)은 또한 그룹 내에서 병렬 연결을 형성하도록 적응된다. 그런 다음 3개의 그룹들은 같은 방향으로 적층되어, 그룹들 외부에 직렬 연결을 형성한다. 그룹 내 병렬 연결이 이러한 그룹 내의 3개의 배터리 유닛들(20)이 병렬로 연결됨을 의미한다는 점에 주목해야 한다. 그리고 그룹들 외부의 직렬 연결은 3개 그룹들이 직렬로 연결되어 있음을 의미한다. 가장 낮은 그룹의 경우 음의 측에, 즉 하부 케이스(32)에 위치된다. 따라서, 냉각 카트리지(40)의 위치 및 방향은 다른 그룹들과 상이하다. 또한, 도 5b를 참조하면, 금속 하우징(30)에 4개의 그룹들을 갖는다. 2개의 그룹들은 양의 측, 즉 상부 케이스(31)에 위치하고, 다른 2개의 그룹들은 음의 측, 즉 하부 케이스(32)에 위치된다. 연결부들은 상술한 연결부들과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략된다.
한편, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 3개의 배터리 유닛들(20)이 한 그룹을 형성한다. 그리고 3개의 배터리 유닛들(20)은 동일한 방향으로 적층되어 이 그룹 내에서 직렬 연결부를 형성한다. 그 다음, 3개의 그룹들이 전-후 적층 관계로 배열되고, 연결 플레이트들(51)은 그룹들 외부에 병렬 연결부를 형성하도록 적응된다. 또한, 배터리 유닛들(20)은 단일 축을 따라 적층되어 배터리 셀(20)을 형성한다. 배열들은 전술한 배열들로 제한되지 않는다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 배터리 시스템은 복수의 상술한 배터리 모듈들(1)로 구성된다. 전기 절연 플레이트(33)는 상부 케이스(31)와 하부 케이스(32) 사이에 배치된다. 상부 케이스(31)와 하부 케이스(32)는 서로 전기적으로 절연된다. 접합부(301)는 금속 하우징(30)의 상부 케이스(31)와 하부 케이스(32) 및 전기 절연 플레이트(33)에 의해 외측으로 연장되어 형성된다. 2개의 인접한 배터리 모듈들(1)의 접합부들(301)은 미스얼라인되어, 배터리 시스템의 전체 체적을 감소시킨다. 또한 체적 에너지 밀도가 증가한다. 배터리 셀(11)에 대해 냉각 카트리지(40)에 의해 제공되는 대면적 방열 경로를 제외하고, 배터리 유닛들(1) 외부의 접합부들(301)에 의해 형성되는 간극은 냉각 채널(71)의 역할을 한다. 따라서, 배터리 시스템의 추가적인 방열 시스템은 배터리 시스템의 전체 체적을 더 이상 줄일 필요가 없다. 또한 본 도면에는 2개의 배터리 모듈들(1)만을 갖는다. 실제로, 요건들에 따라 수평 방향으로 배열될 더 많은 배터리 모듈들(1)을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명은 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈 및 그의 배터리 시스템을 제공한다. 냉각 카트리지는 배터리 유닛의 집전 시트에 대면적으로 직접 접촉하여 배터리 셀의 대면적 방열 경로를 형성한다. 배터리 셀에 의해 생성된 열 에너지는 배터리 셀의 최적화된 성능을 유지하기 위해 발산된다. 복수의 상술한 배터리 모듈들로 구성된 배터리 시스템에서, 2개의 인접한 배터리 모듈들의 접합부들은 미스얼라인되어 배터리 시스템의 전체 체적을 감소시킨다. 접합부들에 의한 간극 형성은 냉각 채널의 역할을 한다. 따라서, 배터리 시스템의 추가적인 방열 시스템은 배터리 시스템의 전체 체적을 더 감소시킬 필요가 없다. 게다가, 본 발명의 냉각 카트리지는 또한 적층된 배터리 유닛들과 케이스 사이에서 전기를 전달하기 위한 전기 전도체로서 사용될 수 있다.
본 발명이 이와 같이 기술됨에 따라, 본 발명이 많은 방식들로 변형될 수 있음이 명백할 것이다. 그러한 변형들은 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나는 것으로 간주되어서는 않되며, 당업자에게 자명할 모든 그러한 변형들은 다음 청구항들 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (9)

  1. 냉각 카트리지를 갖는 배터리 모듈로서:
    단일 축을 따라 적층된 복수의 배터리 유닛을 포함하는 배터리 셀로서, 각 배터리 유닛은:
    서로 병렬로 배치되어 상기 배터리 유닛의 패키지 구조의 역할을 하는 2개의 집전 시트들; 및
    상기 2개의 집전 시트들 사이에 배치되고 전해질 시스템을 포함하는 전기화학 시스템으로서, 상기 전해질 시스템은 다른 배터리 유닛의 전해질 시스템과 접촉하지 않는, 전기화학 시스템;
    을 포함하는, 배터리 셀;
    상기 배터리 셀을 내부에 캡슐화하고 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하는 금속 하우징으로서, 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는 서로 전기적으로 절연되고, 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스는 상이한 극성을 갖는 상기 배터리 셀의 출력부들에 각각 전기적으로 연결되어 양의 단자와 음의 단자를 형성하는, 금속 하우징; 및
    지지부 및 상기 지지부의 가장자리로부터 연장된 적어도 하나의 날개부를 포함하는 적어도 하나의 냉각 카트리지로서, 상기 지지부는 2개의 배터리 유닛들 사이에 배치되고, 상기 2개의 배터리 유닛들의 동일한 극성을 갖는 상기 집전 시트와 접촉하고, 상기 날개부는 상기 금속 하우징의 내부 측벽에 접촉하는, 적어도 하나의 냉각 카트리지를 포함하는, 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개부의 내부 측면에 전기절연 층이 배치되어, 상기 날개부가 상기 배터리 유닛의 측 표면과 접촉하는 것을 회피하는, 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스 사이에 전기 절연 플레이트가 배치되어, 상기 상부 케이스가 상기 하부 케이스에 전기적으로 연결되는 것을 회피하는, 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    냉각 카트리지의 지지부의 면적은 상기 배터리 유닛들의 상기 집전 시트들 중 어느 하나의 면적보다 약간 큰, 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 시스템은 겔 전해질, 액체 전해질, 고체 전해질 또는 이들의 조합인, 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 시스템은 각 배터리 유닛들 내에서만 순환하고, 인접한 2개의 상기 배터리 유닛들 사이에서 전기화학 반응들이 일어나지 않고 오로지 전하 이동만 일어나는, 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기화학 시스템은:
    2개의 집전 시트들과 각각 접촉하는 2개의 활물질 층들;
    상기 2개의 활물질 층들 사이에 배치된 분리막; 및
    상기 2개의 집전체들 사이에 배치되고 상기 전기화학 시스템을 둘러싸는 밀봉 프레임을 포함하는, 배터리 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밀봉 프레임은 실리콘 층 및 상기 실리콘 층의 2개 면들에 배치된 2개의 변성된 실리콘 층들을 포함하는, 배터리 모듈.
  9. 제 1 항의 복수의 배터리 모듈들로 구성된 배터리 시스템으로서,
    상기 금속 하우징의 상기 상부 케이스와 상기 하부 케이스에 의해 접합부가 외측으로 연장되어 형성되고, 인접하는 2개의 배터리 모듈들의 접합부들은 미스얼라인되는, 배터리 시스템.
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