KR101143279B1 - 신규한 냉각구조를 가진 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고; 상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하고; 냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있으며; 상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어진 전지팩을 제공한다.

Description

신규한 냉각구조를 가진 전지팩 {Battery Pack Having Novel Cooling Structure}
본 발명은 신규한 냉각구조를 가진 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고; 상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하고; 냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있으며; 상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어진 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 이점으로 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 따 라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
한편, 종래의 전지팩은 전지셀이 일방향 또는 다수개의 전지셀들이 측면방향으로 적층된 구조로서 적층된 방향으로 길게 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이러한 전지팩의 구조는 일반적으로 차량의 트렁크 또는 시트 하부의 공간에 적재하는데 적합한 직육면체 구조의 형상이다.
그러나, 상기와 같은 종래 전지팩의 구조는 전체적으로 직육면체 형상으로 이루어져 있어서, 적재 공간이 차량 하부인 경우 장착하기에 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 전지팩의 적재 공간이 차량 하부인 경우에도 용이하게 장착할 수 있고, 내부 온도를 균일하게 하는 냉각구조를 가진 전지팩에 관한 기술이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 전지팩의 냉각구조에 대한 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 전지팩을 전체적으로 판상형 구조로 형성함으로써, 전지팩을 차량의 하부에 장착할 수 있고, 이는 차량의 실내 공간을 넓히면서 장착의 편의성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 구성함으로써 전지셀들 사이의 유로에 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 분배할 수 있으며, 그에 따라 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거하고, 전지의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서, 상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고; 상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하고; 냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있으며; 상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통 해 배출되는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지팩은, 종래의 전지팩 구조와는 달리, 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하는 구조로 이루어져 있어서, 냉매가 냉매 유입부의 최외곽까지 균일하게 유입되지 않더라도 상대적으로 온도편차가 단위셀들에서 크게 벌어지지 않는 효과가 있다.
또한, 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성함으로써, 전체적으로 전지팩을 판상형 구조로 형성할 수 있고, 이는 전지팩을 차량의 하부에 장착하는 것을 가능하게 하여 차량의 실내 공간을 증가시킬 수 있다.
더욱이, 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어져 있어서, 단위셀(전지셀 또는 단위모듈)들 사이의 유로로 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 할 수 있다. 따라서, 전지셀의 충방전 시 발생한 열을 균일한 냉매의 유동에 의해 효과적으로 제거할 수 있으며, 결과적으로, 냉각 효율성을 높이고 단위셀들의 작동 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩을 구성하는 전지모듈은 다수의 단위셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접 한 단위셀들을 일정한 간격으로 이격시킨 상태로 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층한 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 소정의 장착부재에 내장하고 이러한 장착부재들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 후자의 경우를 본 발명에서는 '단위모듈'로 칭하기도 한다.
다수의 단위모듈들을 적층하여 전지모듈을 구성하는 경우에는, 적층된 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 사이 및/또는 단위모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
참고로, 본 명세서에서 사용된 용어 '전지모듈'은 둘 또는 그 이상의 충방전 전지셀들 또는 단위모듈들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 전지모듈을 다수 개 연결한 대형 전지모듈의 구성도 가능하고, 전지셀들을 소수 연결한 단위모듈을 다수 개 연결한 구성도 가능하다.
상기에서, 냉매 유동을 위한 단위셀들 사이의 이격 거리는 단위셀의 크기, 단위시간당 냉매 유량, 냉매 유입부의 크기 등 다양한 요인들에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어, 단위셀의 두께를 기준으로 0.1 내지 1의 크기일 수 있다.
한편, 상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직 한 예를 하기에서 설명한다.
단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 2 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 전지셀이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
이러한 전지셀들은 2 또는 그 이상의 단위로 합성수지 또는 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성할 수 있는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 중대형 전지모듈의 제조가 가능해 진다.
단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적 으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 전극단자들을 결합시킨 뒤, 2 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.
상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.
상기 전지팩은 너비(세로폭)가 높이의 적어도 2배 이상인 구조로 이루어져 있어서, 전체적으로 판상형의 구조를 달성할 수 있으며, 차량의 하부 공간과 같이 높이가 낮고 너비가 상대적으로 큰 공간 등에 용이하게 장착할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는 전지셀들의 충방전에 따른 열의 발생을 효과적으로 냉각시키기 위한 냉매가 유입 및 배출되는 부위로서, 팩 케이스의 동일한 면 또는 대향면에 위치하고 있는 구조로 구성될 수 있다. 즉, 차량의 장착공간에 따라 냉매 유입구와 냉매 배출구를 팩 케이스의 동일한 면에 위치시키거나, 서로 대향하는 면에 각각 위치시킬 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는 차량의 장착공간에 따라 평면상 가로방향으로 좌우 대칭 또는 비대칭 구조로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 전지모듈군의 일측부에 대면하는 냉매 유입부의 일측 내면은 전지모듈군의 일측부와의 거리가 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 감소하는 구조로 형성될 수 있다.
여기서, 냉매 유입부의 일측 내면과 전지모듈군의 일측부의 거리는 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 연속적으로 감소하거나, 불연속적으로 감소하는 구조일 수 있다. 여기서, '불연속적으로 감소한다'는 것은 전지모듈군의 일측부의 접경 부위에 실질적으로 기울기가 0도인 부위가 존재할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 상호 인접한 냉매 유입부의 일측 내면과 전지모듈군의 일측부들 사이에 부분적으로 전지모듈군의 일측부를 기준으로 0도의 기울기를 가진 부위가 형성될 수 있다.
냉매 유입부의 일측 내면과 전지모듈군의 일측부의 거리가 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 감소하는 구조는 다양할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 냉매 유입부의 일측 내면은 전지모듈군의 일측부와의 거리가 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 계단식으로 감소하는 구조로 이루어져 있어서, 유로가 통과하지 않는 내부 공간에 전장품과 같은 부품을 유용하게 장착할 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 냉매 유입부의 일측 내면은 둘 또는 그 이상의 연속적인 경사면을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 상기 일측 내면의 경사면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 시작하는 제 1 경사면, 및 상기 제 1 경사면과 냉매 유입구 사이에서 제 1 경사면 보다 큰 기울기의 제 2 경사면으로 이루어질 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 전지팩은 냉매 유입부를 중심으로 평면상 양측에 각각 전지모듈군들(좌측 전지모듈군, 우측 전지모듈군)이 배열되어 있고, 냉매가 각각 좌측 전지모듈군과 우측 전지모듈군으로 유입될 수 있도록 냉매 유로가 평면상 가로방향으로 분지되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 전지팩의 배열 구조는 소망하는 전지팩의 용량에 따라, 평면상 세로방향으로 둘 이상의 전지모듈들이 배열되어 있을 수 있다.
상기 구조의 하나의 예로서, 전지모듈들은 냉매 유로가 연통된 상태로 평명상 세로방향으로 연속적으로 배열되어 있어서, 냉매 유로를 통과하는 냉매의 방향이 절곡되지 않고 전지모듈들을 효과적으로 냉각할 수 있다.
상기 냉매 유입부들은 전지모듈의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 구조이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 평면상 세로방향으로 둘 이상이 형성되어 있는 구조에 의해, 냉매 유입부가 1개만 형성된 냉각구조와 비교하여 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.
상기 구조에서, 냉매 유입부들의 냉매 유로는 냉매 유입구에서 분지되어 있어서, 각각의 냉매 유입부를 통해 전지모듈들을 균일하게 냉각할 수 있다.
또 다른 예로서, 냉매 유입부가 상기 평면상 세로방향의 전지모듈들 각각에 대해 냉매 유입부가 형성되어 있어서, 전지모듈들의 냉각 효율을 극대화할 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 냉매 유입부의 일측 내면의 경사 구조에 의해 만들어지는 팩 케이스의 내부 공간상에 전장부재가 추가로 장착되어 있어서, 팩 케이스의 내부 공간 효율을 극대화할 수 있다.
상기 전지셀은 충방전이 가능한 전지라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 양극, 음극, 분리막 및 전해액이 충방전이 가능한 구조로 밀폐된 용기에 내장되어 있는 이차전지이다. 본 발명에서의 바람직한 단위전지로는 리튬이온 이 차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지, 니켈 금속수소 전지 등을 들 수 있다.
전지셀들은 앞서 설명한 바와 같이 냉매의 이동이 가능하도록 상호 이격되어 있다. 경우에 따라서는, 냉매의 효율적인 이동을 위하여 단위전지들을 특정한 간격 또는 배열로서 구성할 수도 있다. 냉매는 이러한 이격부위(틈)을 통해 이동하면서 전지셀들에서 발생한 열을 제거하게 된다.
본 발명에서의 냉매는 전지셀의 냉각을 수행할 수 있는 유체라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 공기, 물 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 공기가 특히 바람직하다. 냉매는 예를 들어 팬과 같은 별도의 장치에서 공급되어 본 발명에 따른 전지팩의 냉매 유입구로 유입될 수 있지만, 냉매의 구동력이 상기 팬에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 동력원으로 포함하고 있는 차량을 제공한다.
상기 차량은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 전지셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 자동차일 수 있다.
본 발명은 또한, 특정 구조의 전지팩을 장착한 차량을 제공한다.
상기 차량은, 구체적으로는, 전지모듈들 사이에 냉매 유로가 확보될 수 있도록 상호 이격된 상태로, 차량 내부의 전지팩 탑재 공간의 넓이에 대응하는 개수의 육면체 구조의 전지모듈들이 평면상 가로방향 및 세로방향으로 배열되어 있고, 팩 케이스는 차량 내부의 전지팩 탑재 공간에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 상기 전지모듈들이 상기 팩 케이스의 내부 공간에 대응하는 배열로 위치되어 있으며, 상 기 전지모듈들로부터 열을 제거하기 위한 냉매는 상기 팩 케이스의 적어도 일측으로부터 유입되어 전지모듈들을 평면상 세로방향으로 관통한 후 평면상 가로방향으로 이동하여 팩 케이스의 타측으로 배출되는 구조로 이루어진 전지팩을 동력원으로 포함할 수 있다.
따라서, 상기 차량은 냉각 효율성이 뛰어난 전지팩을 차량의 하부에 장착할 수 있으므로, 차량 내부 공간의 활용도를 극대화하고 높은 안전성을 발휘할 수 있다.
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 전지팩의 평면 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지모듈을 정면에서 바라본 정면 모식도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 전지모듈군에 대한 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 이해의 편의를 위하여, 도 3에서는 지면에 대해 전지모듈군을 세운 상태로 나타내었다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은, 냉매 유입구(20)의 냉매 유입방향에 대해 평면상 평면상 가로방향(W)으로 각각 배열된 전지모듈군들(30, 40)과, 냉매 유입구(20)로부터 전지모듈군(30, 40)에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부(50)와 전 지모듈군(30, 40)으로부터 냉매 배출구(22)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(60)이 형성된 팩 케이스(70)로 구성되어 있다.
구체적으로, 16개의 전지모듈들(10)은 평면상 가로방향(W)으로 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입부(50)를 중심으로 평면상 양측에 각각 좌측 전지모듈군(30)과 우측 전지모듈군(40)을 형성하고 있다. 냉매는 각각 좌측 전지모듈군(30)과 우측 전지모듈군(40)으로 유입될 수 있도록, 냉매 유입부(50)에서 냉매 유로가 평면상 가로방향(W)으로 분지되어 있다.
또한, 각각의 전지모듈군(30, 40)은 평면상 세로방향으로 2개의 전지모듈들(10)이 냉매 유로가 연통된 상태로 연속적으로 배열되어 있다.
따라서, 전지팩(100)은 전체적으로 너비(L)가 높이(H)의 2배 이상인 구조로 이루고 있다.
냉매 유입부(50)와 냉매 배출부(60) 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부(50)를 통해 유입된 냉매가 평면상 세로방향(L)으로 각각 전지모듈들(10)을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부(60)를 통해 배출되는 구조로 이루어져 있다. 냉매 유입부들(50)의 냉매 유로가 냉매 유입구(20)에서 분지되어 있어서, 실질적으로 평면상 세로방향(L)의 전지모듈들(10) 각각에 대해 냉매 유입부(50)가 형성되어 있는 구조를 이룬다.
냉매 유입구(20)와 냉매 배출구(22)는 팩 케이스(70)의 대향면에 각각 위치하고 있으며, 냉매 유입구(20)와 냉매 배출구(22)는 평면상 가로방향(W)으로 좌우 대칭 구조에 의해 형성되어 있다.
전지모듈군들(30, 40)의 일측부에 대면하는 냉매 유입부(50)의 일측 내면은 전지모듈군들(30, 40) 일측부와의 거리(d)가 냉매 유입구(20)의 대향 단부 방향으로 감소하는 구조로 이루어져 있다.
각각의 전지모듈(10)은 단위셀들(12)이 냉매 유동을 위한 이격 거리(D)를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있다 (도 2 참조).
즉, 단위셀들(12)의 이격 공간은 유로가 통과하는 방향과 수평하게 위치하고 있으므로 평면상 가로방향(W)으로 최외곽의 전지모듈(11)까지 균일하게 냉매가 유입되지 않더라도, 적어도 하나의 전지모듈(10)에서 단위셀들(12)의 온도 편차가 균일하다.
도 4 내지 도 8에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전지팩의 평면 모식도들이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지팩(101)은 평면상 세로방향(L)으로 2개의 냉매 유입부들(52, 53)이 형성되어 있고, 각각의 냉매 유입부들(52, 53)은 그것의 양측(좌측과 우측)에 각각 배열된 전지모듈군들에 냉매가 유입되도록 구성되어 있다.
전체적으로는, 평면상 세로방향(L)의 전지모듈(10) 각각에 대해 냉매 유입부(52, 53)가 설치된 구조를 이루고 있으며, 중앙 부위의 냉매 배출부들은 서로 인접한 구조를 이루고 있다.
도 5의 전지팩(102)에서, 냉매 유입부(54)의 일측 내면은 두 개의 연속적인 경사면을 포함하는 구조로서, 일측 내면의 경사면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 시작하는 제 1 경사면(56a), 및 제 1 경사면(56a)과 냉매 유입구(21) 사이에서 제 1 경사면(56a)보다 큰 기울기의 제 2 경사면(56b)으로 이루어져 있다.
또한, 냉매 유입부(54)의 일측 내면의 경사 구조에 의해 만들어지는 팩 케이스(72)의 내부 공간상에 전장부재(80)가 추가로 장착되어 있다. 결과적으로, 높은 공간 활용도를 발휘할 수 있다.
도 6의 전지팩(103)에서, 냉매 유입부(55)의 일측 내면은 전지모듈군들(32)의 일측부와의 거리가 냉매 유입구(22)의 대향 단부 방향으로 계단식(34)으로 감소하는 구조로 이루어져 있는 점을 제외하고는, 도 4의 전지팩(101) 구조와 동일하다.
도 7의 전지팩(104)에서, 냉매 유입구(23)와 냉매 배출구(24)는 평면상 가로방향(W)으로 좌우 비대칭 구조에 의해 형성되어 있다. 즉, 각각의 냉매 유입부(57)는 분지되어 있는 구조를 취하고 있지 않고 특정한 전지모듈군 만에만 냉매가 공급되도록 구성되어 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 평면 모식도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 냉매 유입구(25)와 냉매 배출구(26)는 팩 케이스(74)의 동일한 면에 위치하고 있다. 즉, 냉매 유입부(58)로부터 도입된 냉매는 전지모듈(100)을 관통한 후 화살표 방향으로 이동할 수 있도록, 냉매 배출부(68)에서의 냉매 이동 방향은 냉매 유입부(58)에서와 반대이다.
따라서, 상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 전지팩은 전지팩의 크기에 따라 전지모듈의 개수를 다양하게 변경시켜 행과 열에 의해 배열시킬 수 있고, 각각의 배열에 따라 2개의 전지모듈을 연결하여 유로를 구성하거나 각각 열을 따로 구성하여 유로를 용이하게 구성할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 전체적으로 너비가 높이보다 큰 판상형 구조로 이루어져 있어서, 전지팩을 차량의 하부에 장착할 수 있고, 이는 차량의 실내 공간을 넓히면서 장착의 편의성을 향상시킬 수 있다.
또한, 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 구성함으로써 전지셀들 사이의 유로에 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 분배할 수 있으며, 그에 따라 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거하고, 전지의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 평면 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈을 정면에서 바라본 정면 모식도이다;
도 3은 도 1의 전지모듈군에 대한 사시도이다;
도 4 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전지팩의 평면 모식도들이다;
도 9는 도 8의 사시도이다.

Claims (23)

  1. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서,
    상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고;
    상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하고;
    냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있으며;
    상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어져 있고;
    상기 전지모듈군은, 상기 냉매 유입부를 중심으로 평면상 양측에 각각 전지모듈군들(좌측 전지모듈군, 우측 전지모듈군)로 배열되어 있고, 냉매가 각각 좌측 전지모듈군과 우측 전지모듈군으로 유입될 수 있도록 냉매 유로가 평면상 가로방향으로 분지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 너비(세로폭)가 높이의 2배 이상인 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는 팩 케이스의 동일한 면 또는 대향면에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는 평면상 가로방향으로 좌우 대칭 또는 비대칭 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈군의 일측부에 대면하는 냉매 유입부의 일측 내면은 전지모듈군의 일측부와의 거리가 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 감소하는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매 유입부의 일측 내면은 전지모듈군의 일측부와의 거리가 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 계단식으로 감소하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매 유입부의 일측 내면은 둘 또는 그 이상의 연속적인 경사면을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 일측 내면의 경사면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 시작하는 제 1 경사면, 및 상기 제 1 경사면과 냉매 유입구 사이에서 제 1 경사면 보다 큰 기울기의 제 2 경사면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서, 평면상 세로방향으로 둘 이상의 전지모듈들이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 냉매 유로가 연통된 상태로 연속적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 평면상 세로방향으로 둘 이상의 냉매 유입부들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 냉매 유입부들의 냉매 유로는 냉매 유입구에서 분지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 평면상 세로방향의 전지모듈들 각각에 대해 냉매 유입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매 유입부의 일측 내면의 경사 구조에 의해 만들어지는 팩 케이스의 내부 공간상에 전장부재가 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬이온 이차전지, 리튬이온 폴리머 이차전지 또는 니켈 금속수소 전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 공기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항 내지 제 8 항 및 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 동력원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 자동차인 것을 특징으로 하는 차량.
  20. 전지모듈들 사이에 냉매 유로가 확보될 수 있도록 상호 이격된 상태로, 차량 내부의 전지팩 탑재 공간의 넓이에 대응하는 개수의 육면체 구조의 전지모듈들이 평면상 가로방향 및 세로방향으로 배열되어 있고;
    팩 케이스는 차량 내부의 전지팩 탑재 공간에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 상기 전지모듈들이 상기 팩 케이스의 내부 공간에 대응하는 배열로 위치되어 있으며;
    전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하고;
    상기 전지모듈군은, 냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')를 중심으로 평면상 양측에 각각 전지모듈군들(좌측 전지모듈군, 우측 전지모듈군)로 배열되어 있고, 냉매가 각각 좌측 전지모듈군과 우측 전지모듈군으로 유입될 수 있도록 냉매 유로가 평면상 가로방향으로 분지되어 있으며;
    상기 전지모듈들로부터 열을 제거하기 위한 냉매는 상기 팩 케이스의 적어도 일측으로부터 유입되어 전지모듈들을 평면상 세로방향으로 관통한 후 평면상 가로방향으로 이동하여 팩 케이스의 타측으로 배출되는 구조로 이루어진 전지팩을 동력원으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량.
  21. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서,
    상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고;
    상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하며;
    냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있고;
    상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어져 있고;
    상기 전지모듈들은 평면상 세로방향으로 둘 이상의 전지모듈들이 배열되어 있고;
    상기 평면상 세로방향으로 둘 이상의 냉매 유입부들이 형성되어 있으며;
    상기 냉매 유입부들의 냉매 유로는 냉매 유입구에서 분지되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩
  22. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서,
    상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고;
    상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하며;
    냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있고;
    상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어져 있으며;
    평면상 세로방향으로 둘 이상의 전지모듈들이 배열되어 있고;
    상기 평면상 세로방향의 전지모듈들 각각에 대해 냉매 유입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀') 다수 개가 팩 케이스에 내장되어 있는 전지팩으로서,
    상기 단위셀들이 냉매 유동을 위한 이격 거리를 가지면서 지면에 대해 평행하게 순차적으로 적층되어 하나의 전지모듈을 구성하고;
    상기 전지모듈 둘 이상이, 상호간의 냉매 유동이 억제된 상태로, 냉매 유입구의 냉매 유입방향에 대해 평면상 수평방향(평면상 가로방향)으로 배열되어 전지모듈군을 구성하며;
    냉매 유입구로부터 전지모듈군에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈군으로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 형성되어 있고;
    상기 냉매 유입부와 냉매 배출부 간의 냉매 유로는, 냉매 유입부를 통해 유입된 냉매가 평면상 수직방향(평면상 세로방향)으로 각각 특정한 전지모듈을 통과하면서 냉각시킨 후, 냉매 배출부를 통해 배출되는 구조로 이루어져 있으며;
    상기 전지모듈군의 일측부에 대면하는 냉매 유입부의 일측 내면은 전지모듈군의 일측부와의 거리가 냉매 유입구의 대향 단부 방향으로 감소하는 구조로 이루어져 있고;
    상기 냉매 유입부의 일측 내면의 경사 구조에 의해 만들어지는 팩 케이스의 내부 공간상에 전장부재가 추가로 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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