KR101058102B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 배터리 팩의 열용량을 증대시켜 냉각 특성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 일면에서 지지하는 받침대; 상기 받침대와 결합되어 내부에 상기 배터리 모듈을 수납하는 커버; 및 상기 배터리 모듈과 상기 커버 사이에 설치되어, 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수하는 열 흡수체를 구비하는 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 복수개의 단위 전지 셀을 적층하여 형성되는 배터리 모듈을 상하 및/또는 옆으로 적층하여 형성되는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다. 이차 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있으며, 자동차용 전지로도 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함한다. 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비한다. 전해액은 리튬 이온을 포함하는 경우가 많다. 전극 조립체의 양극판과 음극판은 외부로 인출되는 전극 탭을 각각 구비할 수 있다.
전극 조립체는 케이스의 내부에 수납되고, 케이스의 외부로는 전극 단자가 노출될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 외부로 인출되어 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 케이스는 원통형 또는 각형이 될 수 있다.
복수개의 이차 전지의 단위 전지 셀이 수평 또는 수직으로 적층되어 배터리 모듈이 형성될 수 있다. 또한, 복수개의 배터리 모듈이 상하 및/또는 옆으로 적층되어 하나의 배터리 팩이 형성될 수 있다.
본 발명은, 배터리 팩의 열용량을 증대시켜 냉각 특성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈에 설치되어 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수하는 열 흡수체를 구비하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 열 흡수체가 상 변환 물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 열 흡수체가 물을 포함하는 워터 팩 또는 에탄올과 글리세린을 포함하는 냉각 팩이 될 수 있다.
상기 배터리 모듈이 상기 배터리 셀이 제1방향으로 적층되어 형성될 수 있다.
상기 열 흡수체가 상기 배터리 모듈에 분리 가능하도록 설치될 수 있다.
상기 배터리 모듈이, 제1방향으로 적층되는 배터리 셀들, 적층되는 상기 배터리 셀들을 하부에서 지지하는 하부 프레임, 적층되는 상기 배터리 셀들을 상부에서 지지하는 상부 프레임, 및 적층되는 상기 배터리 셀들을 측면에서 지지하는 측면 프레임을 구비할 수 있다.
상기 열 흡수체가 상기 상부 프레임 및 상기 측면 프레임 중의 적어도 어느 하나에 부착되도록 설치될 수 있다.
적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 일면에서 지지하는 받침대를 더 구비할 수 있다.
상기 받침대와 결합되어 내부에 상기 배터리 모듈을 수납하는 커버를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 일면에서 지지하는 받침대; 상기 받침대와 결합되어 내부에 상기 배터리 모듈을 수납하는 커버; 및 상기 배터리 모듈과 상기 커버 사이에 설치되어, 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수하는 열 흡수체를 구비하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 열 흡수체가 분리 가능하도록 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩에 의하면, 배터리 팩의 열용량을 증대시켜 냉각 특성을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 외관이 도시되어 있다. 도 2에는 도 1의 배터리 팩(10)에서, 커버(300)가 분리되고 배터리 모듈(100)에 열 흡수체(400)가 장착된 모습이 도시되어 있다.
배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100)이 상하 및 옆으로 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은 적층되어 일체가 되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀들(110)을 포함할 수 있다. 이때, 배터리 셀(110)은 충방전 동작에 의하여 열이 발생할 수 있으며, 발생한 열로 인하여 배터리 성능 및 수명이 나빠질 수 있다.
특히, 배터리 팩(10)에는 많은 개수의 배터리 셀들(110)이 서로 적층되므로, 각각의 배터리 셀(110)에서 발생하는 열이 더욱 많아질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 열 흡수체(400)를 구비하고, 열 흡수체(400)에 의하여 배터리 팩(10)의 열용량(Heat Capacity)을 증대시켜, 배터리 팩(10)의 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 한다.
한편, 전기 자동차 또는 전기 작동을 포함하는 하이브리드 자동차에는 배터리 팩(10)이 장착될 수 있다. 이때, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 포함되는 배터리 팩(10)은 그 자체를 자동차로부터 분리 가능한 퀵 드롭(quick drop)의 방식으로 자동차에 장착될 수 있다.
통상의 배터리 팩에서는, 공급되는 냉각 물질을 외부로부터 공급받아 내부를 순환시켜 열을 흡수한 후에 외부로 다시 배출한 후에 외부에서 냉각시킴으로써, 배터리 팩(10)을 냉각시키는 순환식 냉각 방식이 적용될 수 있다.
이때, 퀵 드롭 방식은 배터리 팩(10) 전체가 교환되는 방식이므로, 순환식 냉각 방식의 적용에 한계가 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 열 흡수체(400)를 분리 가능하도록 장착하여, 내부의 열을 흡수한 열 흡수체(400)를 분리 또는 교체함으로써, 배터리 팩(10) 내부의 열을 효율적으로 외부 로 배출할 수 있다.
이때, 전기 충전소와 같은 특정 장소에서 배터리 팩(10)에서 발생되는 열을 흡수한 열 흡수체(400)는 분리되고, 새로운 열 흡수체(400)가 장착될 수 있다. 그에 따라, 순환식 냉각 방식의 적용이 어려운 경우에도 배터리 팩(10) 내부의 열을 효율적으로 외부로 배출할 수 있게 된다.
도면을 참조하면, 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100); 받침대(200); 커버(300); 및 열 흡수체(400)를 구비한다.
배터리 모듈(100)은 적어도 하나 이상의 배터리 셀(110)을 포함한다. 받침대(200)는 적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈(100)을 일면에서 지지한다. 커버(300)는 상기 받침대(200)와 결합되어 내부에 상기 배터리 모듈(100)을 수납한다.
열 흡수체(400)는 상기 배터리 모듈(100)과 상기 커버(300) 사이에 설치되어, 배터리 모듈(100)과 커버(300) 사이의 열을 흡수한다. 열 흡수체(400)는 열을 흡수하기 용이한 물질을 포함하여 이루어질 수 있으며, 배터리 팩(10) 전체의 열용량(heat capacity)을 증가시킬 수 있다.
열 흡수체(400)는 분리 가능하도록 설치될 수 있다. 이 경우, 열 흡수체(400)는 배터리 팩(10) 내부의 열을 흡수하고, 열 흡수체(400)는 열을 흡수한 상태에서 분리되어, 외부로 노출될 수 있다.
이때, 열을 흡수한 열 흡수체(400)는 배터리 팩(10)에서 분리되어 외부로 보내지고, 새로운 열 흡수체(400)가 장착되어 계속하여 배터리 팩(10)의 열을 흡수할 수 있다. 분리된 열 흡수체(400)는 외부에서 열을 방출한 후에 다시 배터리 팩(10)에 장착될 수 있다.
열은 배터리 모듈(100)의 배터리 셀들(110)에서 주로 발생하고, 열 흡수체(400)는 배터리 셀들(110)에서 발생하는 열을 흡수할 수 있다. 열 흡수체(400)는 배터리 모듈(100)의 외부 또는 커버(300)의 내면에 설치될 수 있다.
이때, 열 흡수체(400)는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(100)의 외부에 배터리 모듈(100)과 접촉되도록 설치될 수 있다. 다른 실시예로서, 열 흡수체(400')는 도 3에 도시된 바와 같이 커버(300')의 내면에 커버(300')와 접촉되도록 설치될 수 있다.
받침대(200)는 적어도 하나 이상의 배터리 모듈(100)을 하면에서 지지할 수 있다. 즉, 받침대(200) 위에 배터리 모듈(100)이 상하 및/또는 옆으로 적층될 수 있다. 받침대(200) 내부에는 배터리 모듈(100)의 열을 식히기 위한 별도의 온도 조절 시스템(Thermal Management System, TMS)이 설치될 수 있다. 다만, 본 발명에 따라 열 흡수체(400)가 장착되고, 별도의 온도 조절 시스템이 생략될 수 있다.
커버(300)는 받침대(200)와 결합되어 내부에 배터리 모듈(100)을 수납할 수 있다. 따라서, 커버(300)는 배터리 모듈(100)을 외부로부터 보호할 수 있다. 다만, 실시예에 따라서는, 배터리 팩(10)이 설치되는 자동차 등의 내부에 설치되고, 커버(300)가 생략될 수 있다.
도 4에는 도 1의 배터리 팩(10)에서, 배터리 모듈(100)의 외부에 열 흡수체가 장착된 모습이 도시되어 있다. 도 5에는 도 4의 배터리 모듈(100)을 분해하여 각각의 구성 요소들을 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 6에는 도 4의 배터리 모듈(100)에서 열 흡수체(400)가 장착된 측면 프레임(140)의 일 단면이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 배터리 모듈(100)은 적어도 하나 이상 예를 들어 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀(110)을 포함한다. 배터리 모듈(100)은 배터리 셀들(110), 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 측면 프레임(140), 및 엔드 플레이트(150)를 구비할 수 있다.
배터리 셀들(110)은 제1 방향 예를 들어 X 방향으로 적층될 수 있다. 상부 프레임(120)은 적층되는 배터리 셀들(110)을 일면 예를 들어 상부에서 지지할 수 있다. 하부 프레임(130)은 적층되는 배터리 셀들(110)을 일면 예를 들어 하부에서 지지할 수 있다. 측면 프레임(140)은 적층되는 배터리 셀들(110)을 측면에서 지지할 수 있다. 엔드 플레이트(150)는 적층되는 배터리 셀들(110)을 양끝에서 지지할 수 있다.
복수개의 단위 배터리 셀(110)들이 제1 방향으로 적층되어 배터리 모듈(100)이 형성될 수 있다. 상부 프레임(120)은 제1 방향으로 적층되는 단위 배터리 셀들(110) 위에 배치되어, 적층되는 단위 배터리 셀들(110)을 제2 방향에서 지지할 수 있다. 하부 프레임(130)은 제1 방향으로 적층되는 단위 배터리 셀들(110) 아래에 배치되어, 적층되는 단위 배터리 셀들(110)을 하부에서 지지할 수 있다.
측면 프레임(140)은 제1 방향으로 적층되는 단위 배터리 셀들(110)의 측면에 배치되어, 적층되는 단위 배터리 셀들(110)을 측면에서 지지할 수 있다. 한 쌍의 엔드 플레이트(150)는 각각 제1 방향으로 적층되는 단위 배터리 셀들(110)의 양 끝단에 배치되어, 적층되는 단위 배터리 셀들(110)을 양끝에서 지지할 수 있다.
여기서, 제1 방향은 도면에서 X 방향이 될 수 있으며, 제2 방향은 도면에서 Z 방향이 될 수 있다. 이때, 배터리 팩(10)이 수평으로 배치되는 경우에 X 방향은 수평 방향이 되고, Z 방향은 수직 방향이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 배터리 팩(10)의 배치 위치에 따라 다르게 해석될 수 있다.
열 흡수체(400)는, 상기 상부 프레임(120), 상기 하부 프레임(130), 및 상기 측면 프레임(140) 중의 적어도 어느 하나에 부착되도록 설치될 수 있다. 이때, 열 흡수체(400)는, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 및 측면 프레임(140) 각각에 부착되도록 설치될 수 있다.
배터리 셀(110)은 복수개가 수평 방향으로 적층되어 배터리 팩을 형성할 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 통상의 각형 배터리 셀이 적용될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 원형 배터리 셀 또는 파우치형 배터리 셀을 포함한 다양한 형상의 배터리 셀이 적용될 수 있다.
배터리 셀(110)은 통상의 이차 전지가 적용될 수 있다. 이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함할 수 있다. 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비할 수 있다. 전해액은 리튬 이온을 포함할 수 있다. 전극 조립체의 양극판과 음극판은 각각 외부로 인출되기 위하여 집전부와 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 조립체는 케이스(111)의 내부에 수납되고, 케이스(111)의 외부로는 전극 단자(112)가 노출될 수 있다. 양극판 및 음극판과 전기적으로 연결되는 집전부 는 전극 단자(112)와 전기적으로 연결될 수 있다. 케이스(111)는 원통형 또는 각형이 될 수 있다. 단위 배터리 셀(110)은 하나의 케이스(111) 내부에 복수개의 전극 조립체를 포함할 수 있다.
복수개의 단위 배터리 셀(110)이 수평으로 적층되어 배터리 모듈(100)이 형성될 수 있다. 전지 모듈(100)에서 이웃하여 적층되는 이차 전지들은 전극 단자들(112)이 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 이때, 이웃하는 배터리 셀(110)들의 전극 단자들(112)이 버스 바(116)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
인접하는 배터리 셀들(110)은 전극이 교대로 양극과 음극이 서로 엇갈리도록 배열될 수 있다. 복수개의 배터리 셀(110)은 병렬로 연결되거나, 직렬로 연결되거나, 직렬 및 병렬이 혼합되어 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 셀들(110)은 연속적으로 연결되어서, 하나의 배터리 모듈(100)을 형성할 수 있다. 상기 적층되는 배터리 셀들(110)의 연결 구조 및 개수는 설계 시 요구되는 충전 및 방전 용량을 고려하여 정해질 수 있다.
케이스(111)의 개구부에는 캡 플레이트(113)가 결합될 수 있다. 캡 플레이트(113)는 얇은 판으로 이루어질 수 있다. 캡 플레이트(113)에는 전해액이 주입되는 전해액 주입구가 형성될 수 있다. 전해액 주입구는 전해액이 주입된 후에 밀봉마개(114)로 밀봉될 수 있다.
또한, 캡 플레이트(113)에는 설정된 내부 압력에 따른 파단될 수 있도록 홈이 형성된 벤트 부재(115)가 형성될 수 있다. 복수개의 단위 배터리 셀들(110)이 수평으로 적층된 위에 상부 프레임(120)이 배치되는 경우에, 벤트 부재(115) 위에 는 상부 프레임(120)의 배기구(121)가 위치될 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 셀(110)은 상술한 바와 같이 리튬-이온 전지가 될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 배터리 셀(110)로 리튬-이온 이차전지 이외에도 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬 전지를 포함한 다양한 종류의 전지가 적용될 수 있다.
한편, 리튬을 포함하는 각각의 단위 배터리 셀(110)은 충방전 시에 전극 조립체가 팽창 또는 수축하게 된다. 이때, 전극 조립체가 팽창과 수축되는 경우에 케이스(111)에 물리력으로 작용할 수 있다. 그에 따라, 케이스(111)는 전극 조립체의 변화에 상응하는 물리적 팽창과 수축을 하게 된다.
케이스(111)의 변형이 반복되는 팽창과 수축에 의하여 고착화될 수도 있다. 이와 같은 부피의 팽창은 저항을 증가시켜 배터리 셀(110)의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 부피 팽창으로 인한 효율 저하를 방지하기 위하여, 엔드 플레이트(150)가 적층되는 배터리 셀들(110)의 양 끝단에서 배터리 셀들(110)을 지지할 수 있다. 그에 따라, 적층되는 배터리 셀들(110)에는 소정의 압력이 작용할 수 있다.
또한, 배터리 셀(110)은 충방전 동작에 의하여 열이 발생할 수 있으며, 발생한 열로 인하여 배터리 성능 및 수명이 나빠질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서는 교환 가능한 열 흡수체(400)에 의하여 내부의 열을 흡수하여 외부로 방출할 수 있다.
엔드 플레이트(150)는 수평 및/또는 수직 방향으로 배열하여 상호 간에 전기적으로 연결된 복수 개의 배터리 셀(110)의 양 끝단에 한 쌍으로 배치될 수 있다. 또한, 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 측면 프레임(140)은 각각 엔드 플레이트(150)의 상하면 또는 측면에 지지되어 복수 개의 배터리 셀(110)이 팽창과 수축에 의해서 수평방향으로 더 연장되지 않도록 압축 고정할 수 있다.
엔드 플레이트(150)는 배터리 모듈(100)의 양 끝단에 각각 설치될 수 있다. 한 쌍의 엔드 플레이트(150)는 각각 일면이 배터리 모듈(100)의 최외곽 양쪽에 배치된 전지 셀(110)의 외면에 각각 밀착되어 적층되는 배터리 셀들(110)을 지지한다.
엔드 플레이트(150)는 베이스 플레이트(151)와 플렌지부(152, 153, 154)를 구비할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(151)는 상기 전지 셀(110)의 외형을 커버할 수 있는 크기를 가진다. 본 실시예에서는 베이스 플레이트(151)는 대략 사각형이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 플렌지부(152, 153, 154)는 베이스 플레이트(151)로부터 전지 셀(110)과 접촉되는 면의 반대 방향으로 벤딩되어 형성될 수 있다.
플렌지부(152, 153, 154)는 상면 플렌지부(152), 하면 플렌지부(153), 및 측면 플렌지부(154)를 구비할 수 있다. 상면 플렌지부(152)는 상부 프레임(120)과 체결된다. 하면 플렌지부(153)는 하부 프레임(130)과 체결된다. 측면 플렌지부들(152)은 각각 대응되는 측면 프레임(140)과 체결된다.
한편, 배터리 모듈(100)은 상하 및/또는 옆으로 적층되어 배터리 팩(10)을 형성할 수 있다. 이때, 인접하여 적층되는 배터리 모듈들(100)은 엔드 플레이트들(140)끼리 체결되어 서로 지지될 수 있다.
이 경우, 상면 플렌지부(152)는 위에 적층되는 배터리 모듈(100)의 하면 플 렌지부(153)와 체결될 수 있다. 하면 플렌지부(153)는 아래에 적층되는 배터리 모듈(100)의 상면 플렌지부(152)와 체결될 수 있다. 측면 플렌지부(154)는 인접하는 배터리 모듈(100)의 측면 플렌지부(154)와 체결될 수 있다.
이때, 상면 플렌지부(152), 하면 플렌지부(153), 및 측면 플렌지부(154) 각각에는 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 및 측면 프레임(140)과 볼트와 너트에 의한 나사결합으로 체결될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 용접 등의 방법을 포함한 다양한 방법에 의하여 체결될 수 있다.
상부 프레임(120)은 수평 방향으로 적층되는 복수 개의 전지 셀(110) 상부에 배치되며, 엔드 플레이트(150)의 상면의 상면 플렌지부(152)에 체결될 수 있다. 이때, 상부 프레임(120)에는 전지 셀(110)의 벤트 부재(115)에 대응하는 위치를 관통하여 배기구(121)가 형성된다.
상부 프레임(120)은 길이방향 양쪽으로 벤딩되는 상부 프레임 절곡부(122)를 가질 수 있다. 상부 프레임 절곡부(122)의 안쪽에는 밀봉부재(123)를 구비한다. 이때, 밀봉부재(123)는 고무 등의 탄성 부재로 형성될 수 있다. 이때, 상부 프레임(120)은 상부에 적층되는 배터리 모듈들(100)의 하부 프레임(120)과 밀봉부재(123)가 개재되어 결합되어, 밀봉된 가스 배출 통로를 형성할 수 있다.
벤트 부재(115)를 통하여 가스 발생 시에 가스가 인접한 이차전지(10)에 영향을 주지 않고 상부 프레임(20)의 배기구(121)를 통하여 유출되도록, 상부 프레임(120)과 벤트 부재(115)사이에는 밀봉링(117)이 구비될 수 있다.
이때, 밀봉링(117)으로는 예를 들어 O링 등이 사용될 수 있다. 이때, 엔드 플레이트(150)의 상부 중앙에는 상부 프레임(120)을 안착시킬 수 있도록 홈(152a)이 형성된다. 따라서, 상부 프레임(120)의 배기구(121)를 전지 셀(110)에 밀착시킬 수 있다.
또한, 전지 셀(110)과 상부 프레임(120)사이의 밀봉링(117)이 충분한 두께를 갖도록 할 수 있다. 그에 따라, 상부 프레임(120)이 엔드 플레이트(150)에 결합 시에 상부 프레임(120)이 전지 셀(110)의 상부에 압력을 발생시켜 그 사이에 개재된 밀봉링(117)을 압축하여 상부 프레임(120)과 전지 셀(110)이 밀착되도록 할 수 있다.
하부 프레임(130)은 복수 개의 전지 셀들(110)의 하중을 지지하도록 전지 셀들(110)의 하부에 배치되며, 엔드 플레이트(150)의 하부의 하면 플렌지부(152)에 연결된다. 전지 셀들(110)의 하중을 견디기 위하여 하부 프레임(130)은 전지 셀들(110)을 지지하는 면의 반대 방향으로 벤딩되어 형성되는 하부 프레임 절곡부(132)를 구비할 수 있다.
하부 프레임 절곡부(132)는 하부를 향해 오픈된 구조를 가질 수 있다. 또한, 하부 프레임 절곡부(132)는 하부에 적층되는 배터리 모듈(100)의 상부 프레임(120)과 결합되어 가스 통로를 형성할 수 있다. 이때, 상하로 적층되는 배터리 모듈(100)의 하부 프레임(130)과 상부 프레임(120)이 결합되어 형성되는 가스 통로는 가스 발생 시에 가스를 배출하는 덕트 역할을 할 수 있다.
이때, 하부 프레임(130)과 그 아래 적층되는 배터리 모듈(100)의 상부 프레임(120)은 밀봉한 상태에서 가스를 배출시킬 수도 있고, 완전한 밀봉은 아니지만 가스 배출을 유도하는 통로역할을 할 수도 있다. 전지 셀(110)에서 가스가 발생하는 경우는 폭발 또는 그에 준하는 급격한 화학반응을 동반하므로, 발생되는 가스의 양이 짧은 시간에 폭발적으로 발생하게 된다. 따라서, 배터리 팩에 가스 배출을 위한 덕트를 형성하게 되면 가스를 용이하게 배출할 수 있게 된다.
측면 프레임(140)은 적층되는 단위 전지 셀들(110)을 측면에서 지지하도록 적층된 단위 전지 셀들(110)의 측면에 배치될 수 있다. 측면 프레임(140)은 일단의 엔드 플레이트(140)로부터 다른 일단의 엔드 플레이트(140)를 향하여 일정한 폭으로 연장되어 형성될 수 있다.
측면 프레임(140)에는 적어도 하나 이상의 관통홀(141)이 형성되어, 측면 프레임(140)의 하중을 줄일 수 있다. 또한, 측면 프레임(140)은 전지 셀들(110)을 지지하는 면의 반대 방향으로 벤딩되어 형성되는 측면 프레임 절곡부(142)를 구비할 수 있다. 측면 프레임 절곡부(142)에 의하여 측면 프레임(140)의 벤딩에 대한 강도를 보강할 수 있다.
열 흡수체(400)는 배터리 모듈(100)과 커버(300) 사이에 설치되어, 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열을 흡수한다. 이때, 열 흡수체(400)는 탈부착 가능하도록 설치될 수 있다. 따라서, 열 흡수체(400)가 배터리 모듈(100)과 커버(300) 사이에서 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열을 흡수하고, 열 흡수체(400)는 커버(300)를 분리한 후에 새로운 열 흡수체(400)로 교환될 수 있다.
열 흡수체(400)는 배터리 모듈(100)에서 발생되는 열을 효율적으로 흡수할 수 있도록, 배터리 모듈(100) 또는 커버(300)의 내면에 접촉되도록 설치될 수 있 다. 그 일 실시예로서, 열 흡수체(400)는 배터리 모듈(100)의 외부에 접촉되도록 설치될 수 있다.
이 경우, 열 흡수체(400)가 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 및/또는 측면 프레임(140) 각각에 부착되도록 설치될 수 있다. 이를 위하여, 열 흡수체(400)는 지지부(410)에 의하여 지지되고, 지지부(410)가 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 및 측면 프레임(140) 각각에 부착될 수 있다.
지지부(410)는 삽입부(411)와 홀딩부(412)를 구비할 수 있다. 삽입부(411)는 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 및/또는 측면 프레임(140)에 마련된 홈에 삽입되어 배터리 모듈(100)에 지지된다. 홀딩부(412)는 열 흡수체(400)를 지지한다. 이때, 홀딩부(412)는 삽입부(411)와 일체로 형성될 수 있다. 또한, 복수 개 예를 들어 2개의 지지부(410)가 하나의 열 흡수체(400)를 지지할 수 있다.
삽입부(411)는 돌출되도록 형성되고 상부 프레임 절곡부(122)에 의하여 형성되는 홈에 삽입되어 상부 프레임(120)에 지지될 수 있다. 또한, 삽입부(411)는 측면 프레임 절곡부(142)에 의하여 형성되는 홈에 삽입되어 측면 프레임(140)에 지지될 수 있다. 홀딩부(412)는 열 흡수체(400)를 삽입 또는 이탈하기 용이하도록 일면 또는 그 일부가 개방될 수 있다.
도 4 및 5에 도시된 실시예에서는 열 흡수체(400)가 배터리 모듈(100)에 설치된다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 배터리 모듈(100)의 주 열 발생원인 배터리 셀(110)에 가까운 다양한 위치가 될 수 있다. 다른 실시예로서, 열 흡수체(400')는 도 3에 도시된 바와 같이 커버(300')의 내면에 커버(300')와 접촉되 도록 설치될 수 있다. 이를 위하여, 커버(300')의 내면에 별도로 열 흡수체(400')가 수납될 수 있는 수납부가 마련될 수 있다.
열 흡수체(400)는 상 변환 물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하여 이루어질 수 있다. 상 변환 물질(PCM)이란 설정된 특정 온도에서 온도 변화 없이 상(phase)이 변하면서 많은 열을 흡수 도는 방출하는 물질이다.
즉, 열 흡수체(400)는 상 변환 물질(Phase Change Material, PCM)을 포함함으로써, 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열을 흡수하여 저장할 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10)의 열용량을 증대시켜, 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열을 흡수함으로써, 배터리 셀들(110)의 온도 상승을 저감시킬 수 있게 된다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 열 흡수체(400)로서 상 변환 물질 이외에도 열을 저장할 수 있는 다양한 다른 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 열 흡수체(400)는 물을 포함하는 워터 팩(water pack) 또는 에탄올과 글리세린을 포함하는 냉각 팩(cooling pack)이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 열 흡수체(400)에 의하여 배터리 팩(10)의 열용량(Heat Capacity)을 증대시킴으로써, 배터리 팩(10)의 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 한다. 또한, 전기 자동차 등에서 퀵 드롭(quick drop) 방식이 적용되는 경우에도 순환 방식을 적용하지 아니하고도, 효율적으로 배터리 팩(10) 내부의 열을 흡수할 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10) 내부의 온도가 상승하는 것을 저감시킬 수 있다.
도 7에는 도 6의 배터리 팩(10)이 전기 자동차(1)에 적용된 실시예가 도시되 어 있다.
도면을 참조하면, 배터리 팩(10)은 단위 전지 셀(110)을 수평 방향으로 배열하여 배터리 모듈(100)을 형성하고, 배터리 모듈(100)을 두 개의 열로 네 층으로 쌓아, 2×4개 총 여덟 개의 배터리 모듈(100)을 결합하여 형성될 수 있다.
이때, 각각의 배터리 모듈(100)은 하부 프레임(130)과 그 아래 위치한 배터리 모듈(100)의 상부 프레임(120)이 서로 정합되어 상기 가스를 배출하는 각각의 가스 배출용 덕트를 형성할 수 있다.
배터리 팩(10)은 전기 자동차(1)의 차체(500) 내부의 정해진 공간에 적재될 수 있다. 배터리 팩(10)은 그 자체를 자동차로부터 분리 가능한 퀵 드롭(quick drop)의 방식으로 차체(500) 내부에 장착될 수 있다.
전지 셀(110)을 구비한 배터리 팩(10)이 폭발 또는 다른 이유에 의해 가스가 발생할 수 있다. 이 경우, 유독가스는 짧은 시간에 폭발적으로 발생하게 된다. 이때 발생하는 유독가스가 사람 등이 사용하는 승합 공간 내에 유입되면 인체에 유해한 영향을 미친다.
여기서, 배터리 팩(10)을 밀봉 케이스 내부에 수용하여 밀봉하고, 밀봉 케이스가 외부 덕트를 통하여 외부로 연결될 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10)에 외부 덕트를 연결하여 배기 가스를 전기 자동차 외부로 배출시킬 수 있다.
이 경우, 배터리 팩(10) 내부에 많은 열이 발생할 수 있다. 하지만, 배터리 팩(10)에 구비되는 열 흡수체(400)에 의하여 열을 흡수함으로써, 배터리 팩(10) 내부의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩의 열용량을 증대시켜 냉각 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 외관을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩에서, 커버가 분리되고 배터리 모듈에 열 흡수체가 장착된 배터리 팩을 도시한 사시도이다.
도 3은 열 흡수체가 커버의 내면에 장착된 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 배터리 팩에서, 배터리 모듈의 외부에 열 흡수체가 장착된 것을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈을 분해하여 각각의 구성 요소들을 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 4의 배터리 모듈에서, 열 흡수체가 장착된 측면 프레임의 개략적인 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 도 1의 배터리 팩이 사용되는 실시예로서, 내부에 도 1의 배터리 팩이 수용되는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 배터리 팩, 100: 배터리 모듈,
200: 받침대, 300: 커버,
400: 열 흡수체.

Claims (16)

  1. 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈에 설치되어 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수하는 열 흡수체를 구비하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 상 변환 물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하여 이루어지는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 물을 포함하는 워터 팩 또는 에탄올과 글리세린을 포함하는 냉각 팩인 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈이 상기 배터리 셀이 제1방향으로 적층되어 형성되는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 상기 배터리 모듈에 분리 가능하도록 설치되는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈이,
    제1방향으로 적층되는 배터리 셀들,
    적층되는 상기 배터리 셀들을 하부에서 지지하는 하부 프레임,
    적층되는 상기 배터리 셀들을 상부에서 지지하는 상부 프레임, 및
    적층되는 상기 배터리 셀들을 측면에서 지지하는 측면 프레임을 구비하는
    배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열 흡수체가, 상기 상부 프레임 및 상기 측면 프레임 중의 적어도 어느 하나에 부착되도록 설치되는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 일면에서 지지하는 받침대를 더 구비하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 받침대와 결합되어 내부에 상기 배터리 모듈을 수납하는 커버를 더 구비하는 배터리 팩.
  10. 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 일면에서 지지하는 받침대;
    상기 받침대와 결합되어 내부에 상기 배터리 모듈을 수납하는 커버; 및
    상기 배터리 모듈과 상기 커버 사이에 설치되어, 상기 배터리 모듈에서 발생하는 열을 흡수하는 열 흡수체를 구비하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 상 변환 물질(Phase Change Material, PCM)을 포함하여 이루어지는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 물을 포함하는 워터 팩 또는 에탄올과 글리세린을 포함하는 냉각 팩인 배터리 팩.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 상기 배터리 모듈의 외부 또는 상기 커버의 내면에 접촉되도록 설치되는 배터리 팩.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈이,
    제1방향으로 적층되는 배터리 셀들,
    적층되는 상기 배터리 셀들을 하부에서 지지하는 하부 프레임,
    적층되는 상기 배터리 셀들을 상부에서 지지하는 상부 프레임, 및
    적층되는 상기 배터리 셀들을 측면에서 지지하는 측면 프레임을 구비하는
    배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열 흡수체가, 상기 상부 프레임 및 상기 측면 프레임 중의 적어도 어느 하나에 부착되도록 설치되는 배터리 팩.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 열 흡수체가 분리 가능하도록 설치되는 배터리 팩.
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