KR101029838B1 - 냉각 효율이 향상된 중대형 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중대형 전지팩으로서, 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가, 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있고, 냉매 유로가 수직으로 형성되어 있는 구조의 모듈 어셈블리; 상기 모듈 어셈블리의 양측과 하단을 지지하면서, 모듈 어셈블리의 배열 상태를 유지시키는 다수의 지지부재들; 및 상기 모듈 어셈블리와 지지부재들의 외면을 감싸고 있는 팩 하우징을 포함하고 있으며, 냉매는 지지부재들에 의해 설정된 밀폐 공간을 따라 모듈 어셈블리의 일측 상단(또는 하단)으로 유입되어, 모듈 어셈블리를 수직으로 관통한 후, 타측 하단(또는 상단)으로 배출되는 구조로 이루어져 있는 중대형 전지팩을 제공한다.

Description

냉각 효율이 향상된 중대형 전지팩 {Middle and Large-Sized Battery Pack Having Improved Cooling Efficiency}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 투시 모식도이다;
도 2는 도 1의 중대형 전지팩의 분해 사시도이다;
도 3은 중대형 전지팩에서 팩 하우징의 전면판을 제외한 구조의 전면 모식도이다;
도 4는 중대형 전지팩에서 팩 하우징의 후면판을 제외한 구조의 후면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 중대형 전지팩에 냉각팬과 서비스 플러그를 장착한 구조의 모식도이다.
본 발명은 우수한 냉각 효율성을 가지는 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 전지모듈들이 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있고 냉매 유로가 수직으로 형성되어 있는 구조의 모듈 어셈블리, 상기 모듈 어셈블리의 양측과 하단을 지지하면서 모듈 어셈블리의 배열 상태를 유지시키는 다수의 지지부재들, 및 상기 모듈 어셈블리와 지지부재들의 외면을 감싸고 있는 팩 하우징을 포함하고 있으며, 냉매는 지지부재들에 의해 설정된 밀폐 공간을 따라 모듈 어셈블리의 일측 상단(또는 하단)으로 유입되어, 모듈 어셈블리를 수직으로 관통한 후, 타측 하단(또는 상단)으로 배출되는 구조로 이루어진 중대형 전지팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
이와 관련하여, 일부 선행기술은 냉각 효율성을 향상시키는 구조의 중대형 전지모듈을 제시하고 있다. 예를 들어, 일본 등록특허 제3355958호에는 차량 등의 한정된 공간에 다수의 전지셀들을 적층한 구조의 중대형 전지모듈에서, 냉매가 1 군의 적층 전지군을 통과하여 온도가 상승한 상태에서 다른 군의 적층 전지군을 연속하여 통과하는 경우에 냉각 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해, 냉매용 유로를 형성하는 돌기를 전지셀의 외면에 형성하고, 냉매가 전지군들 사이로 유입된 후 적층된 전지군을 통과하면서 전지셀들을 냉각시키는 구조를 제시하고 있다. 또한, 상기 특허에서, 전지셀은 니켈-수소 이차전지 등과 같은 알칼리 전지로서, 그 자체로 높은 기계적 강성을 가지도록 외형을 형성해야 하므로, 다수의 전지셀들을 중첩한 상태에서 양면에 플레이트를 맞대고 이를 밴드로 고정하여 중대형 전지모듈을 구성하는 방식을 채택하고 있다.
따라서, 냉각 효율성을 일부 향상시키는 효과는 있으나, 높은 기계적 강성을 부여하기 위한 외형 구성으로 인해 부피 및 중량이 매우 증가하게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 다수의 전지셀들로 구성된 중대형 전지팩에서, 일부 전지셀의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 전지셀 간의 냉각 불균일성이므로, 냉매의 유동시 냉각 균일성을 확보할 수 있는 구조가 요구된다.
따라서, 전지팩 내부에서는 냉매의 유로 구조에 따라 냉각의 효율성이 크게 차이가 나므로, 보다 콤팩트하며 안정적인 구조와 함께 냉매를 외부로 빠져나가지 못하게 함으로써 냉각 효율성을 향상시킬 수 있는 중대형 전지팩에 관한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 조립 과정이 간소하고, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 전지셀들 사이의 유로에 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 할 수 있고, 전지셀의 충방전시에 발생한 열을 균일한 냉매의 유동에 의해 효과적으로 제거할 수 있는 냉각 효율성이 우수한 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중대형 전지팩은,
다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가, 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있고, 냉매 유로가 수직으로 형성되어 있는 구조의 모듈 어셈블리;
상기 모듈 어셈블리의 양측과 하단을 지지하면서, 모듈 어셈블리의 배열 상태를 유지시키는 다수의 지지부재들; 및
상기 모듈 어셈블리와 지지부재들의 외면을 감싸고 있는 팩 하우징;
을 포함하고 있으며,
냉매는 지지부재들에 의해 설정된 밀폐 공간을 따라 모듈 어셈블리의 일측 상단(또는 하단)으로 유입되어, 모듈 어셈블리를 수직으로 관통한 후, 타측 하단(또는 상단)으로 배출되는 구조로 이루어져 있다.
본 발명의 중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 이러한 전지모듈 다수 개를 측면 방향으로 상호 접하도록 배열한 구조의 모듈 어셈블리가 지지부재들에 의해 그것의 배열이 유지되며, 지지부재들과 결합된 모듈 어셈블리를 팩 하우징으로 감싼 구조로 이루어져 있다.
상기 중대형 전지팩의 냉각 구조에서, 냉매는 지지부재들에 의해 설정된 밀폐공간을 따라 모듈 어셈블리의 일측 상단(또는 하단)으로 유입되어 모듈 어셈블리에 형성된 수직 구조의 냉매 유로를 관통한 후 모듈 어셈블리의 타측 하단(또는 상단)으로 배출되는 구조로 이루어져 있어서, 냉매의 유동에 따른 냉각 효율이 상승하고, 균일한 냉각효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 냉매의 유로가 지지부재들에 의해 형성되므로, 지지부재들은 모듈 어셈블리의 배열을 유지하는 역할 이외에 냉매 유로를 형성하는 역할을 동시에 수행하므로, 적은 수의 부재를 사용하여 콤팩트한 구조의 중대형 전지팩을 제조할 수 있다.
상기 냉매는 중대형 전지팩을 사용하는 디바이스의 구조에 따라 유입구와 배출구의 형성 위치가 달라질 수 있으며, 예를 들어, 모듈 어셈블리의 후면 상단으로 유입되어, 모듈 어셈블리를 수직으로 하향 관통한 후, 전면 하단으로 배출될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 지지부재들은, 상기 모듈 어셈블리에서 최외측 전지모듈들의 측면을 감싸면서 냉매가 외부로 유출되는 것을 방지하는 한 쌍의 측면 지지부재들; 상기 모듈 어셈블리를 하단면으로부터 소정의 높이로 이격시킨 상태에서, 그것의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들; 및 상기 모듈 어셈블리의 상단에서 냉매를 모듈 어셈블리로 유도하면서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결지지부재를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 종 방향 및/또는 횡 방향으로 전지셀 또는 전지모듈 다수 개가 적층되어 모듈 어셈블리를 이루고 있고, 이러한 모듈 어셈블리의 양 측면을 측면 지지부재들로 감싸며, 측면 지지부재들에 연결되어 있는 하단 지지부재들 및 상단 연결지지부재에 의해 모듈 어셈블리를 고정한 후 팩 하우징으로 감싼 구조로 이루어져 있어서, 전체적으로 조립 과정이 간소하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가진다.
또한, 각각의 상기 지지부재들은 냉매가 전지팩 외부로 유출되는 것을 방지하고 전지모듈들에 균일하게 분배될 수 있는 구조로 이루어져 있으므로 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 측면 지지부재는 전체적으로 판상체 구조로 이루어져 있으며, 상기 판상 본체에는 모듈 어셈블리가 접하는 내측에 냉매의 유출 방지, 모듈 어셈블리의 온도 균일성 확보, 및 단락 방지를 위한 절연성 부재가 장착된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 절연성 부재는 측면 지지부재가 도전성의 소재로 이루어진 경우, 예를 들어, 외력에 의한 측면 지지부재의 변형에 의해 모듈 어셈블리에서 단락이 유발되는 것을 방지하여 준다. 또한, 모듈 어셈블리의 양측 대향 면들과 측면 지지부재 사이를 밀폐시킴으로써, 냉매가 모듈 어셈블리를 통해서만 이동하도록 유도하여, 냉각 효율성을 높일 수 있다.
바람직하게는, 상기 절연성 부재가 단열 소재로 이루어질 수 있다.
단열 소재로 이루어진 절연성 부재는, 모듈 어셈블리의 최외측 전지모듈과 측면 지지부재의 판상형 본체 사이에 위치하여, 내측의 전지모듈보다 최외측 전지모듈이 상대적으로 빨리 냉각되는 현상을 방지할 수 있다. 모듈 어셈블리를 구성하는 다수의 전지모듈들간에 온도차가 발생하면, 일부 전지모듈의 열화가 촉진되며, 결과적으로 전지모듈 전체의 작동 성능이 악화될 수 있다. 따라서, 절연성 부재는 최외측 전지모듈의 방열을 억제하고 온도의 균일성을 확보하여, 상기와 같은 전지모듈들 상호간의 온도차 발생을 방지하여 준다.
바람직한 예에서 절연성 부재를 구성하는 단열 소재로는, 예를 들어, 폐쇄형 기공들(closed pore)을 다수 포함하고 있는 고분자 소재가 사용될 수 있으며, 그 중에서도 절연성 및 단열성이 우수하고 중량이 작은 발포성 스티로폼 또는 발포성 폴리에틸렌(PE Foam) 등의 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
경우에 따라서는, 측면 지지부재의 판상 본체에는 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 비드가 형성될 수 있다. 상기 비드는 예를 들어 폭 대비 길이가 큰 요철 형상의 구조로 이루질 수 있고, 이러한 비드들은 상호 평행한 배열 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 하단 지지부재는 모듈 어셈블리의 전면 또는 후면의 하단에 각각 결합되는 프레임 본체와, 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부에 각각 형성되어 있는 측면 결합부를 포함하는 것으로 바람직하게 이루어질 수 있다.
예를 들어, 하단 지지부재에서 프레임 본체는 각각 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단에 밀착되고, 프레임 본체의 양측 단부에 형성되어 있는 측면 결합부는 볼트, 리벳 등과 같은 체결부재를 사용하여 측면 지지부재에 결합되는 구조에 의하여 모듈 어셈블리가 견고하게 고정되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 하단 지지부재들은, 그것의 양측 단부들을 지지하면서 냉매 유로를 형성하는 한 쌍의 레일들이 연속적으로 상향 돌출되어 있는 구조의 베이스 플레이트 상에 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적인 예로, 베이스 플레이트의 양 측에는 모듈 어셈블리의 하면을 따라 흐르는 냉매의 이동 방향과 평행한 방향으로 레일이 상향 돌출 구조로 형성되어 있고, 베이스 플레이트에 형성된 한 쌍의 레일과 하단 지지부재의 양측 단부에 형성된 측면 결합부가 기계적으로 장착될 수 있다.
상기 모듈 어셈블리는 하단 지지부재 상에 장착되므로, 모듈 어셈블리의 하면과 베이스 플레이트의 레일 사이에 이격 공간이 형성되며, 이러한 이격 공간은 냉매의 유입 또는 배출 유로로 사용될 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 다수의 전지셀로 구성되는 전지모듈 또는 전지팩에서는 안전성 및 작동 효율성을 고려하여, 전압과 온도를 측정하여 이를 제어하는 것이 필요하다. 특히, 전압은 적어도 전지셀 별로 또는 전지셀의 전기적 연결부위 별로 측정하는 것이 필요하다. 따라서 상기 모듈 어셈블리의 후면에 장착되며, 각 전지모듈로부터 전압, 전류 및 온도로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 작동 정보를 수신하여 처리하는 제어부재가 추가로 포함될 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 2 또는 그 이상의 상단 연결지지부재들이 측면 지지부재들에 결합되어 있으며, 그 중 모듈 어셈블리의 전면방향으로 위치하는 상단 연결지지부재는 그것의 길이방향으로 팩 하우징에 밀착되는 높이를 가지는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 모듈 어셈블리의 양 측면에 위치하는 측면 지지부재를 상호 결합하는 2 또는 그 이상의 상단 연결지지부재들 중 모듈 어셈블리의 전면방향으로 위치하는 상단 연결지지부재는 모듈 어셈블리의 전면 상단을 가압함과 동시에 팩 하우징의 내면에 밀착되므로, 예를 들어, 모듈 어셈블리의 후면 상단으로 유입된 냉매가 모듈 어셈블리 전면으로 빠져 나가는 것을 방지하며, 따라서, 냉매가 모듈 어셈블리의 상면을 따라 이동하면서 각각의 전지모듈을 수직 하향으로 관통한 뒤 팩 하우징 하단의 배출구로 배출될 수 있도록 유도할 수 있다.
이러한 구조의 상단 연결지지부재는 측면 지지부재들을 상호 간에 연결하여 결합시키는 역할과, 냉매가 모듈 어셈블리의 전면으로 빠져 나가는 것을 방지하고 전지모듈의 수직 하부 방향으로 냉매의 흐름을 유도하는 역할을 동시에 수행한다. 더욱이, 한 개의 부재가 두 가지 역할을 동시에 수행함으로써, 전지팩을 제조하는 데 소요되는 부품 수와 전지팩의 제조 공정 수를 줄일 수 있으므로, 궁극적으로 중대형 전지팩의 제조 비용을 크게 절감시킬 수 있다.
상기 팩 하우징은 모듈 어셈블리의 상단면과 측면 지지부재들을 감싼 상태에서 베이스 플레이트에 결합되는 하우징 본체와, 상기 하우징 본체의 전면에 장착되는 전면판 및 후면에 장착되는 후면판을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 팩 하우징의 하우징 본체는 볼트/너트 체결 방식으로 상기 베이스 플레이트에 고정되며, 바람직하게는 상기의 체결 방식으로 결합되기 위하여, 하우징의 측면 하단 및 베이스 플레이트 레일의 외측에, 서로 대응하는 판상의 연장부가 각각 형성되어 있어서, 상기 판상의 연장부를 기계적으로 결합함으로써 하우징 본체를 베이스 플레이트에 장착시키는 구조로 이루어질 수 있다. 그런 다음, 하우징 본체의 개방된 전면 및 후면에 각각 전면판과 후면판을 결합시킴으로써 팩 하우징이 장착될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 하우징 본체에는 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 요철 형상의 비드들이 형성되어 있고, 하우징 본체의 상단면에 형성되는 비드는 만입형 구조로 이루어질 수 있고, 양 측면에 형성되는 비드는 돌출형 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 하우징 본체는 폭 대비 길이가 큰 요철 형상의 다수의 비드들이 팩 하우징에 형성되어 있는 구조로서, 이러한 비드들은 팩 하우징의 내측으로 만입된 구조로 이루어진 만입형 비드 및 외측으로 돌출된 돌출형 비드 구조로 형성될 수 있다.
외부 장치에 본 발명의 전지팩이 장착될 때, 보다 콤팩트한 사이즈의 수납 공간을 사용하기 위해서 상기 상단면에 형성된 비드는 만입형 구조로 이루어져 있다. 반면에, 하우징 측면 하단에는 상기 판상의 연장부가 하우징의 측면 방향으로 소정의 길이만큼 돌출되어 있기 때문에, 하우징의 양측면에 형성되는 비드는 돌출형 구조로 형성되어도 수납 공간을 추가로 점유하지 않는다.
상기 팩 하우징의 전면판은 배선 케이블의 연결을 위한 하나 또는 둘 이상의 관통구가 형성된 구조로 이루어져 있어서, 직렬 또는 병렬로 연결된 전지모듈들의 배선이 상기 관통구를 통해서 팩 하우징 외부로 연결될 수 있으며, 상기 후면판은 냉매의 유입을 위한 하나 또는 둘 이상의 흡입구가 형성된 구조로 이루어져 있어서 상기 흡입구를 통하여 팩 하우징 내부로 냉매가 유입될 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록, 바람직하게는, 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지일 수 있다. 하나의 바람직한 예로는, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양 단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
상기 단위모듈은 다수의 전지셀들이 전기적으로 연결된 소단위의 전지모듈로서, 예를 들어, 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들; 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 모듈 케이스를 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 이러한 단위모듈의 구체적인 예로는, 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-0045444호의 모듈을 들 수 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
경우에 따라서는, 상기 팩 하우징의 전면에는 냉매 배출구가 형성되어 있고, 이러한 냉매 배출구에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 신속하고 원활하게 냉매 배출구로 이동하여 전지팩 외부로 배출될 수 있도록, 바람직하게는, 냉각팬이 추가로 장착될 수 있다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 중대형 전지팩의 투시 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 중대형 전지팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 중대형 전지팩(100)은 다수의 단위모듈들이 장착되어 이루어지는 모듈 어셈블리(110), 모듈 어셈블리(110)가 탑재되는 베이스 플레이트(120), 한 쌍의 측면 지지부재(130), 상단 연결지지부재(141, 142, 143), 하단 지지부재(150), 및 팩 하우징(160)으로 구성되어 있다.
모듈 어셈블리(110)은 각각의 전지모듈들이 베이스 플레이트(120) 상에 수직 으로 세워진 형태로 적층되며, 그것의 상면에는 냉매가 모듈 어셈블리(110)를 수직으로 관통할 수 있도록, 전지모듈 별로 다수의 관통구들(116)이 형성되어 있고, 측면 지지부재(130)는 모듈 어셈블리(110)의 측면과 밀착되고 베이스 플레이트(120)에 결합되어 있다.
베이스 플레이트(120)에는 외력에 대해 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 다수의 비드들(122)이 형성되어 있고, 하단 지지부재들(150)의 양측 단부를 지지하는 한 쌍의 레일(124)이 연속적으로 상향 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
측면 지지부재(130)는 판상형 본체(132)와 그것의 내측에 장착된 절연성 부재(134)로 이루어져 있으며, 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 비드(133)가 형성되어 있다.
전지모듈의 적층체 상면에는 3 개의 상단 연결지지부재들(141, 142, 143)이 전지모듈 적층체, 즉, 모듈 어셈블리(110)의 상단을 가압하면서 측면 지지부재(130)의 양측 상단부와 각각 결합되어 있다.
이러한 상단 연결지지부재들(141, 142, 143) 중 모듈 어셈블리의 전면방향에 위치하는 상단 연결지지부재(141)는 그것의 길이방향으로 팩 하우징(160)에 밀착되는 높이를 가지는 구조로 이루어져 있어서, 모듈 어셈블리(110)의 전면 상단을 가압함과 동시에 팩 하우징(160)의 상면 내측과 밀착되므로, 모듈 어셈블리(110)의 후면 상단으로 유입된 냉매가 모듈 어셈블리의 전면을 통해 유출되는 것을 방지하고, 각각의 전지모듈들에 형성된 관통구들(116)을 경유하여 수직 하향으로 관통할 수 있도록 유도한다.
팩 하우징(160)은 모듈 어셈블리(110)의 상단면과 측면 지지부재들(130)을 감싼 상태에서 베이스 플레이트(120)에 결합되는 하우징 본체(162)와, 하우징 본체(162)의 전면에 장착되는 전면판(166), 및 후면에 장착되는 후면판(169)으로 구성되어 있다.
하우징 본체(162)는 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 그것의 상면과 양 측면에 각각 만입형 비드들(163) 및 돌출형 비드들(164)이 형성되어 있으며, 볼트/너트 체결 방식의 기계적 결합으로 베이스 플레이트(120)에 고정되는 구조로 이루어져 있다.
또한, 이러한 체결 방식으로 결합되기 위하여, 하우징 본체(162)의 측면 하단 및 베이스 플레이트(120)의 레일(124) 외측에는, 서로 대응하는 판상의 연장부(165)가 각각 형성되어 있다.
팩 하우징(160)의 전면판(166)에는 배선 케이블의 연결을 위한 4 개의 관통구들(167)이 형성되어 있고, 전면판(166)의 하단에는 냉매의 배출을 위한 냉매 배출구(168)가 형성되어 있다.
냉매는 모듈 어셈블리(110)의 후면 상단의 냉매 유입구로 유입된 후 모듈 어셈블리(110)의 상면을 따라 이동하면서 각각의 전지모듈들을 수직 하향으로 관통한 뒤 모듈 어셈블리(110)의 전면 하단의 냉매 배출구로 배출된다.
도 3에는 중대형 전지팩에서 팩 하우징의 전면판을 제외한 구조의 전면이 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 팩 하우징의 후면판을 제외한 구조의 후면이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 모듈 어셈블리(110)의 양 측면에는 측면 지지부재(130)가 밀착되어 있으며, 측면 지지부재(130)의 판상형 본체(132)와 최외측 전지모듈(112, 114) 사이에는 다공성의 고분자 소재로 이루어진 절연성 부재(134)가 위치함으로써, 판상형 본체(132)와 전지모듈(112, 114) 간에 절연을 이루고, 최외곽 전지모듈(112, 114)과 측면 지지부재(130) 사이로 냉매가 유출되는 것을 차단한다.
또한, 전지모듈들(112, 114)을 지지하고 있는 하단 지지부재(150)의 양 측부(152)는 경사진 구조로 형성되어 있어서 전지모듈들을 탄력적으로 지지할 수 있고, 모듈 어셈블리(110)의 후면에는 각각의 전지모듈들로부터 전압, 전류 및 온도 등의 정보를 수신하여 처리하는 제어부재(170)가 장착되어 있어서 전지팩을 효율적으로 제어하고 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 5에는 본 발명의 중대형 전지팩에 냉각팬과 서비스 플러그를 장착한 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 중대형 전지팩(100)은 신속하고 원활한 냉매의 유동을 이룰 수 있도록 팩 하우징의 냉매 배출구에 냉각팬(200)을 추가로 장착하고 있으며, 필요에 따라 전력을 차단할 수 있도록 서비스 플러그(300)를 장착하고 있는 구조로 이루어져 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 전체적으로 조립 과정이 간소하고, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며, 모듈 어셈블리의 전면과 양 측면을 소정의 부재들로 가압하여 밀폐하는 구조로 이루어져 있어서, 냉매 유로가 아닌 모듈 어셈블리의 전면 및 양 측면으로 냉매가 유출되는 것을 방지할 수 있으므로, 높은 효율성의 냉각 시스템에 의해 전지팩의 작동 성능과 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 모듈 케이스에 내장되어 있는 구조의 전지모듈 다수 개가, 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있고, 냉매 유로가 수직으로 형성되어 있는 구조의 모듈 어셈블리; 상기 모듈 어셈블리의 양측과 하단 및 상단을 지지하면서, 모듈 어셈블리의 배열 상태를 유지시키는 다수의 지지부재들; 및 상기 모듈 어셈블리와 지지부재들의 외면을 감싸고 있는 팩 하우징;을 포함하고 있으며,
    상기 지지부재들은, 상기 모듈 어셈블리에서 최외측 전지모듈들의 측면을 감싸면서 냉매가 외부로 유출되는 것을 방지하는 한 쌍의 측면 지지부재들; 상기 모듈 어셈블리를 하단면으로부터 소정의 높이로 이격시킨 상태에서, 그것의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들; 및 상기 모듈 어셈블리의 상단에서 냉매를 모듈 어셈블리로 유도하면서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결지지부재;를 포함하고 있고,
    냉매는 지지부재들에 의해 설정된 밀폐 공간을 따라 모듈 어셈블리의 일측 상단(또는 하단)으로 유입되어, 모듈 어셈블리를 수직으로 관통한 후, 타측 하단(또는 상단)으로 배출되는 냉각 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 모듈 어셈블리의 후면 상단으로 유입되어, 모듈 어셈블리를 수직으로 하향 관통한 후, 전면 하단으로 배출되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 지지부재는 전체적으로 판상체 구조로 이루어져 있으며, 상기 판상 본체에는 모듈 어셈블리와 접하는 내측에 냉매의 유출 방지, 모듈 어셈블리의 온도 균일성 확보, 및 단락 방지를 위한 절연성 부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 절연성 부재는 폐쇄형 공극들(closed pore)을 포함하고 있는 고분자 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 지지부재는 모듈 어셈블리의 전면 또는 후면의 하단에 각각 결합되는 프레임 본체와, 측면 지지부재에 결합될 수 있도록 상기 프레임 본체의 양측 단부에 각각 형성되어 있는 측면 결합부로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 지지부재들은, 그것의 양측 단부들을 지지하면서 냉매 유로를 형성하는 한 쌍의 레일들이 연속적으로 상향 돌출되어 있는 구조의 베이스 플레이트 상에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리의 후면에 장착되며, 각 전지모듈로부터 전압, 전류 및 온도로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 작동 정보를 수신하여 처리하는 제어부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 2 또는 그 이상의 상단 연결지지부재들이 측면 지지부재들에 결합되어 있으며, 그 중 모듈 어셈블리의 전면방향으로 위치하는 상단 연결지지부재는 그것의 길이방향으로 팩 하우징에 밀착되는 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징은 모듈 어셈블리의 상단면과 지지부재들을 감싼 상태에서 베이스 플레이트에 결합되는 하우징 본체와, 상기 하우징 본체의 전면에 장착되는 전면판 및 후면에 장착되는 후면판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 하우징 본체에는 외력에 대한 구조적 안정성을 향 상시킬 수 있는 요철 형상의 비드들이 형성되어 있고, 하우징 본체의 상단면에 형성되는 비드는 만입형 구조로 이루어져 있고, 양측면에 형성되는 비드는 돌출형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 전면판에는 배선 케이블의 연결을 위한 하나 또는 둘 이상의 관통구가 형성되어 있고, 상기 후면판에는 냉매의 유입을 위한 하나 또는 둘 이상의 흡입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 모듈 케이스를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 하우징의 전면에는 냉매 배출구에 연통하여 냉각팬이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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