KR101293211B1 - 배터리 모듈 수납장치, 배터리 모듈 온도조절 장치 및 이들을 포함하는 전력 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 배터리 모듈 수납장치는, 정면과 배면이 개방되고 내부 공간이 형성된 직육면체 형상으로 이루어지고, 내부 공간을 형성하는 상면판의 저면과 하면판의 상면에는 서로 대향하는 위치에 복수의 배터리 셀이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯이 형성되고, 또한 배터리 모듈 온도조절 장치의 열전달판이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 열전달판 삽입 슬롯이 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯과 인접하여 형성된다. 따라서, 배터리 모듈 수납장치의 정면쪽에서 배터리 모듈을 삽입하고, 배면쪽에서 배터리 모듈 온도조절 장치를 삽입함으로써 배터리 팩 및 스택 구조의 전력 저장 시스템을 구성할 수 있다.

Description

배터리 모듈 수납장치, 배터리 모듈 온도조절 장치 및 이들을 포함하는 전력 저장 시스템{Battery module container, battery module temperature control apparatus and power storage system having them}
본 발명은 배터리 모듈 수납장치 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 복수의 배터리 셀의 집합체인 배터리 모듈과 온도조절 수단을 용이하게 수납 및 교체할 수 있고 배터리 셀간 균일한 온도조절이 가능한 배터리 모듈 수납 장치, 배터리 모듈 온도조절 장치, 및 이들을 포함하는 전력 저장 시스템에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 전극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액, 알루미늄 박막층 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 충방전을 끊임없이 반복할 수 있어 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지 활용 원으로 주목 받고 있다.
한편, 상기 이차 전지는 개체가 집합되는 정도에 따라, 최소 단위인 배터리 셀, 상위 집합체인 어셈블리(assembly)(배터리 모듈) 및 어셈블리(배터리 모듈)의 집합체인 배터리 팩(pack) 등으로 칭해지며, 이하 설명에서 달리 언급되지 않는다면, 이차 전지는 상기 개체를 구별하지 않고 통칭적으로 사용하도록 한다.
최근에는, 화석 연료에 의한 에너지 자원 고갈의 문제, 환경 오염에 대한 이슈, 에너지 사용의 경제성 등에 대한 이슈가 중요하게 부각되면서, 전력 사용량과 전력 생산량의 불일치를 효과적으로 극복하고, 전력 과잉 공급에 의한 낭비 및 전력 공급 부족에 의한 과부하 현상 등을 해결하기 위하여 다양한 정보 통신 인프라와 연계되어 전력 공급량을 탄력적으로 조절하도록 하는 스마트 그리드(Smart Grid) 시스템이라는 개념이 활발히 연구되고 있다.
즉, 스마트 그리드 시스템에서는 전력 소비량이 적을 때에는 전력을 저장하였다가 전력 소비량이 많을 때에는 이와 같이 저장된 전력을 생산 전력과 함께 소비자에게 공급하도록 하는 인프라 구조를 가지게 된다.
이와 같은 스마트 그리드 시스템에서 생산된 전력을 저장하는 매체가 활용되어야 하는데, 이 경우에 상기 이차 전지 내지 배터리 팩은 전력을 저장하는 주요한 요소로 기능하게 된다.
또한, 이러한 전력 저장 시스템은 스마트 그리드 시스템뿐만 아니라 다른 여러 분야에서도 이용될 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 충전 전력을 공급하는 전기 자동차 충전소에도 많은 양의 전력을 저장할 필요가 있으므로 여기에도 전력 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 전력 저장 시스템을 구성하는 배터리 팩은 상당한 개수의 이차전지가 다양한 구조로 집합(예를 들어, 배터리 팩이 상하 구조로 적층된 형태인 타워형 스택 등)되어 대용량의 시스템을 구성하게 되는데, 이차전지는 내부의 전기 화학적 반응에 의하여 충전 또는 방전이 끊임없이 반복적으로 일어나며 이러한 충방전 과정은 불가피하게 발열을 수반하게 되는데 이와 같이 이차전지가 고용량화되는 경우 상기 충방전에 따른 발열은 비약적으로 증가하게 된다.
이와 같은 발열 현상은 전기 화학적 반응을 일으키는 이차전지에 내재적인 데미지(손상)을 미치게 되어 성능 저하를 초래할 수 있으며, 배터리의 수명을 보장할 수 없는 부수적인 문제를 야기할 수 있으며 발열에 의한 폭발 현상 등 안전성에도 치명적인 약점이 될 수 있다고 알려져 있다.
그러므로 이차전지의 구동과 관련한 냉각 체계가 필요한데, 특히 상기와 같이 전력 저장 시스템은 상당한 고용량과 대단위 집적체 형태로 구현되므로 이와 같은 발열의 해소를 위한 냉각 체계에 대한 필요성은 더욱 크다고 할 수 있다.
그러나 종래의 냉각 체계는 대단위로 집적된 전력 저장 시스템에 최적화된 형태로 구현되기보다는 개별 배터리 셀이나 모듈을 냉각하는 형태로만 제시되고 있다.
이러한 종래 시스템에 의하는 경우, 타워형 스택을 이루는 각각의 배터리 셀이나 모듈을 개별적인 냉각 제어 방법으로 독립적으로 운용하여야 하므로 셀간 또는 모듈간 냉각 성능의 편차에 의해 균일한 냉각이 곤란하고, 냉각 체계가 중복되는 낭비가 발생함은 물론, 개별적 제어를 위한 BMS(Battery Management System)와 이를 구동하는 로직의 구축, 공조 계통의 복잡성을 야기시키게 되며, 냉각 체계에 대한 유지보수 측면에서도 상당한 비효율성을 초래하고 있다고 할 수 있다.
한편, 위에서는 주로 이차전지의 냉각에 대해서 설명했지만, 이른바 콜드 스타트(cold start)시 등과 같이 이차전지의 온도가 너무 낮아도 시스템 성능을 제대로 발휘하지 못하는 경우가 있다. 이러한 경우에는 상기의 냉각과 반대로 적절한 히팅이 필요하다. 따라서, 냉각과 히팅을 포함하여 이차전지를 적절한 온도로 유지함과 함께 배터리 셀간 또는 배터리 모듈간, 나아가 배터리 팩간 균일하면서도 용이한 온도조절이 가능한 체계가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기의 문제점 내지 필요성을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 배터리 셀 및 그 집합체인 배터리 모듈을 온도조절 수단과 함께 용이하게 수납 및 교체할 수 있는 배터리 모듈 수납장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리 셀간 및 배터리 모듈간 균일하고 용이한 온도조절이 가능하며 유지보수가 간편한 배터리 모듈 온도조절 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기의 배터리 모듈과 냉각수단이 수납된 수납장치를 복수 개 포함하고, 시스템 전체의 효율적이고 균일한 온도조절 및 간편한 유지보수가 가능한 전력 저장 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명에 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 모듈 수납장치는, 열전달판을 포함하는 온도조절 수단과, 각각 판상인 복수의 배터리 셀이 수납되는 내부 공간이 형성된 배터리 모듈 수납장치로서, 상기 내부 공간의 양 측면을 형성하도록 상호 대향하는 형태로 구비되는 제1 및 제2 측면판; 상기 내부 공간의 상면을 형성하고 상기 제1 및 제2 측면판의 상부 모서리를 서로 연결하는 상면판; 및 상기 내부 공간의 하면을 형성하도록 상기 상면판과 대향하는 형태로 구비되고 상기 제1 및 제2 측면판의 하부 모서리를 서로 연결하는 하면판을 포함하고, 상기 상면판의 저면과 상기 하면판의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 상기 복수의 배터리 셀이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯이 상기 제1 및 제2 측면판과 평행하게 형성되어 있고, 상기 상면판의 저면과 상기 하면판의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 상기 열전달판이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 열전달판 삽입 슬롯이 상기 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯과 인접하여 상기 제1 및 제2 측면판과 평행하게 형성되어 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯은, 상기 복수의 배터리 셀을 상기 배터리 모듈 수납장치의 정면쪽에서만 삽입가능하도록, 상기 상면판 및 하면판의 정면쪽 단부로부터 시작하여 배면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있다.
또한, 상기 복수의 열전달판 삽입 슬롯은, 상기 열전달판을 상기 배터리 모듈 수납장치의 배면쪽에서만 삽입가능하도록, 상기 상면판 및 하면판의 배면쪽 단부로부터 시작하여 정면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 모듈 온도조절 장치는, 배터리 모듈 수납장치에 서로 평행하게 수납된 각각 판상인 복수의 배터리 셀을 냉각 또는 히팅하기 위한 배터리 모듈 온도조절 장치로서, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 삽입되어 상기 배터리 셀의 표면과 접하여 배터리 셀과 열교환을 행하는 제1 열전달판; 상기 제1 열전달판에 설치되고, 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부로 연장되는 히트 파이프; 및 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부에서 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부로 연장된 상기 히트 파이프의 단부와 접속되어 공기와 열교환을 행하는 제2 열전달판을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제1 열전달판은 인접하는 한 쌍의 배터리 셀의 각각의 표면과 접하도록 2매로 이루어지고, 상기 히트 파이프는 상기 2매의 제1 열전달판 사이에 끼워져 상기 2매의 제1 열전달판에 부착접속된다.
다른 실시예에서, 상기 히트 파이프는 각각의 제1 열전달판의 일측면에 부착된다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈 온도조절 장치는, 상기 제2 열전달판에 공기를 강제로 공급하는 팬을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 저장 시스템은, 각각 내부 공간에 복수의 배터리 셀이 수납된 복수의 배터리 팩과, 상기 배터리 셀을 냉각 또는 히팅하기 위한 온도조절 장치를 구비하는 전력 저장 시스템으로서, 상기 복수의 배터리 셀 각각은 직사각형의 판상 구조를 갖고, 상기 복수의 배터리 팩 각각은 상기 내부 공간에 상기 복수의 배터리 셀을 서로 평행하게 세워서 수납하고, 상기 온도조절 장치는, 각각 상기 복수의 배터리 팩 내부로 삽입되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 삽입되어 상기 배터리 셀의 표면과 접하는 복수의 제1 열전달판; 각각 상기 복수의 제1 열전달판에 설치되고, 상기 배터리 팩의 외부로 연장되는 복수의 히트 파이프; 및 상기 배터리 팩의 외부에서 상기 배터리 팩의 외부로 연장된 상기 복수의 히트 파이프의 단부들과 공통으로 접속되는 제2 열전달판을 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 수납장치 및 전력 저장 시스템에 의하면, 배터리 모듈 수납장치의 정면쪽에서 배터리 모듈을 삽입하여 밀어 넣고, 배터리 모듈 수납장치의 배면쪽에서 배터리 모듈 온도조절 장치를 삽입하여 밀어 넣음으로써 배터리 팩 및 스택 구조의 전력 저장 시스템을 구성할 수 있다. 따라서, 배터리 팩 및 전체 전력 저장 시스템을 매우 간편하게 구성할 수 있고, 특정 배터리 셀이나 온도조절장치의 부품을 교체하는 등의 유지 보수 작업도 매우 간편하게 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈 온도조절 장치 및 전력 저장 시스템에 의하면, 배터리 셀의 표면과 접하는 열전달판 및 외부 공기와 접하는 열전달판과 히트 파이프를 사용함으로써, 별도의 전력이나 에너지의 공급 없이도 배터리 셀들을 냉각 및 히팅할 수 있어 배터리 셀들의 온도를 항상 일정하게 조절 유지할 수 있게 된다. 또한, 외부 공기와 접하는 열전달판을 전력 저장 시스템 전체를 커버하도록 함으로써, 배터리 셀간 및 배터리 팩간 균일한 온도를 유지할 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 수명과 시스템 성능을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 모듈 수납장치 및 배터리 모듈 온도조절 장치에 의하면, 배터리 셀의 온도조절을 위한 구조가 매우 간단하고 슬림하여 시스템을 소형화할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 의한 전력 저장 시스템의 전체적인 구조를 도시하는 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈 수납장치의 구조와 배터리 모듈 및 온도조절 장치가 배터리 모듈 수납장치에 수납되는 구조를 도시한 일부 절개 분해 사시도,
도 3은 도 2의 배터리 모듈 및 온도조절 장치가 배터리 모듈 수납장치에 수납되는 구조를 도시한 개략 평면도,
도 4는 도 2 및 도 3에 따라 배터리 모듈이 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 배터리 모듈을 각각의 배터리 모듈 수납장치에 수납함과 함께 온도조절 장치와 결합하는 구조를 도시한 사시도,
도 6은 도 5에 따라 복수의 배터리 모듈이 각각의 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 복수의 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도,
도 7은 도 2에 도시된 온도조절 장치의 변형예를 도시한 도면,
도 8은 도 2에 도시된 온도조절 장치의 다른 변형예를 도시한 도면,
도 9는 도 2에 도시된 온도조절 장치의 다른 변형예를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈 수납장치의 구조와 배터리 모듈 및 온도조절 장치가 배터리 모듈 수납장치에 수납되는 구조를 도시한 일부 절개 분해 사시도,
도 11은 도 10에 따라 배터리 모듈이 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 복수의 배터리 모듈을 각각의 배터리 모듈 수납장치에 수납함과 함께 온도조절 장치와 결합하는 구조를 도시한 사시도,
도 13은 도 12에 따라 복수의 배터리 모듈이 각각의 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 복수의 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도,
도 14는 도 10에 도시된 온도조절 장치의 변형예를 도시한 도면,
도 15는 도 10에 도시된 온도조절 장치의 다른 변형예를 도시한 도면,
도 16은 도 10에 도시된 온도조절 장치의 또 다른 변형예를 도시한 도면,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 복수의 배터리 모듈을 각각의 배터리 모듈 수납장치에 수납함과 함께 온도조절 장치와 결합하는 구조를 도시한 사시도,
도 18은 도 17에 따라 복수의 배터리 모듈이 각각의 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 복수의 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도,
도 19는 도 17에 도시된 온도조절 장치의 히트 파이프의 구성을 상세히 도시한 일부 절개 사시도이다.
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 아니 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 사상을 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 의한 전력 저장 시스템의 전체적인 구조를 도시하는 사시도이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 전력 저장 시스템에 대한 개괄적이고 전반적인 설명을 먼저 기술하고, 각 세부 구성은 해당되는 도면 등을 참조하여 후술하도록 한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명과 후술하는 특허청구범위에서 상하좌우, 정면, 배면 등의 방향을 나타내는 용어는 도면에 도시된 대로의 방향을 설명하기 위한 상대적인 용어로서, 보는 방향에 따라서 반전될 수 있는 방향임을 명시해 둔다. 또한, 도면에서 각 구성 부재의 두께 등 크기는 이해의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력 저장 시스템은 하나 이상의 배터리 팩(100)이 배터리 팩 케이스(200)에 수납되고, 하나 이상의 배터리 팩(100)을 수납한 배터리 팩 케이스(200)를 한 단 이상 적층한 스택 구조를 가지고 있다. 도 1에서 각 단의 배터리 팩 케이스(200)에는 3 개씩의 배터리 팩(100)이 수납되고, 또한 3 단을 적층한 것으로 도시하였으나, 이는 하나의 예시일 뿐 배터리 팩(100)의 개수와 배터리 팩 케이스(200)의 적층 단수는 얼마든지 변경가능하다. 또한, 도 1에는, 맨 밑단의 배터리 팩(100)들은 정면 덮개인 후술하는 정면판(27)이 부착된 상태이고 나머지 단의 배터리 팩(100)들은 정면판이 없는 상태로 도시되었지만, 정면 덮개는 전체적으로 또는 일부의 배터리 팩에만 필요에 따라 부착할 수도 부착하지 않을 수도 있다.
이하 본 발명의 설명에서 배터리 팩(100)은 실시형태에 따라 복수 개의 배터리 셀 또는 어셈블리(assembly) 등이 집합된 배터리 모듈(10)이 후술하는 본 발명의 배터리 모듈 수납장치(20)에 수납 내지 장착된 상태의 것을 지칭한다. 후술하지만 본 발명의 배터리 모듈 수납장치(20)에는 배터리 모듈(10)만이 아니라 온도조절 장치의 일부 구성요소인 제1 열전달판(31)(실시예에 따라서는 히트 파이프(32)까지)도 함께 수납되고, 이렇게 배터리 모듈 수납장치(20)에 배터리 모듈(10)과 제1 열전달판(31) 또는 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)까지 수납된 상태의 것을 배터리 팩(100)이라 칭할 수 있지만, 이하의 설명에서 개념적으로 배터리 팩(100)은 온도조절 장치의 구성요소를 제외한 배터리 모듈(10)과 그 수납장치(20)만을 함께 지칭하는 것으로 한다.
본 발명의 전력 저장 시스템에 구비되는 하나 이상의 배터리 팩(100)은 실시형태에 따라 다양한 형태로 직렬 또는 병렬 구조로 전기적으로 상호 연결될 수 있으며, 또한 독립한 전력원으로서 기능할 수 있도록 배치될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 1에서 참조부호 33으로 도시된 구성요소는 온도조절 장치의 구성요소의 하나인 제2 열전달판이다. 이 제2 열전달판(33)은 스택 구조의 전력 저장 시스템의 배면 전체를 커버하는 크기를 가지는 것이 바람직하다. 하지만, 각 배터리 팩(100) 단위 또는 각 배터리 팩 케이스(200) 단위를 커버하는 크기를 가지는 복수로 분할되어 구비될 수도 있다.
또한, 본 발명의 전력 저장 시스템은, 도 1에 도시하지는 않았지만, 전체 전력 저장 시스템을 감싸는 하우징을 구비할 수도 있다. 이 하우징에는 도 6에 도시된 팬(34)이나 본 명세서에서 상세한 설명이 생략되는 제어 시스템 등이 배치될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 전력 저장 시스템을 구성하는 배터리 모듈 수납장치(20)를 시작으로 각 세부 구성을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈 수납장치의 구조와 배터리 모듈 및 온도조절 장치가 배터리 모듈 수납장치에 수납되는 구조를 도시한 일부 절개 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 배터리 모듈 및 온도조절 장치가 배터리 모듈 수납장치에 수납되는 구조를 도시한 개략 평면도(설명 및 이해의 편의를 위해 상면판(23)을 제거한 상태의 평면도)이며, 도 4는 도 2 및 도 3에 따라 배터리 모듈이 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈 수납장치(20)는, 정면과 배면이 개방되고 내부 공간이 형성된 직육면체 형상으로 이루어진다. 즉, 배터리 모듈 수납장치(20)는, 상기 내부 공간의 양 측면을 형성하도록 상호 대향하는 형태로 구비되는 제1 및 제2 측면판(21, 22), 상기 내부 공간의 상면을 형성하고 제1 및 제2 측면판(21, 22)의 상부 모서리를 서로 연결하는 상면판(23), 및 상기 내부 공간의 하면을 형성하도록 상면판(24)과 대향하는 형태로 구비되고 제1 및 제2 측면판(21, 22)의 하부 모서리를 서로 연결하는 하면판(24)을 포함한다. 다만, 이러한 제1, 제2 측면판(21, 22), 상면판(23) 및 하면판(24)은 개념적으로 구분되는 요소이고, 이 네 개의 판들 또는 일부의 판들이 일체로 성형될 수도 있음은 물론이다.
상기 상면판(23)의 저면과 상기 하면판(24)의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 복수의 배터리 셀(11)이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯(25)이 제1 및 제2 측면판(21, 22)과 평행하게 형성되어 있다.
구체적으로, 상면판(23)과 하면판(24)의 상기 내부 공간을 향하는 면에는 4 개씩의 배터리 셀 삽입 슬롯(25)이 형성되어 있는데, 이 배터리 셀 삽입 슬롯(25)의 개수는 단위 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀(11)의 개수에 따라 임의로 변경가능하다.
한편, 배터리 셀 삽입 슬롯(25)은 상면판(23) 및 하면판(24)의 정면쪽 단부로부터 시작하여 배면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는데, 이는 배터리 셀(11)을 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면쪽에서만 삽입가능하도록 하기 위함이다. 따라서, 배터리 셀(11)을 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면쪽에서 삽입하여 배면쪽 단부 가까이까지 밀어 넣을 수만 있다면 배터리 셀 삽입 슬롯의 구체적인 구성은 변경가능하다. 예컨대, 배터리 셀 삽입 슬롯을 상면판(23) 및 하면판(24)의 정면쪽 단부에서 배면쪽 단부까지 전체 길이에 걸쳐 형성하고, 배면쪽 단부 가까이에 스토퍼와 같은 부재를 마련함으로써 동일한 기능을 달성할 수도 있다.
또한, 상기 상면판(23)의 저면과 상기 하면판(24)의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 온도조절 장치(30)의 일부 구성요소인 제1 열전달판(31)이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 열전달판 삽입 슬롯(265)이 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯(254)과 인접하여 제1 및 제2 측면판(21, 22)과 평행하게 형성되어 있다.
구체적으로, 상면판(23)과 하면판(24)의 상기 내부 공간을 향하는 면에는 4 개씩의 열전달판 삽입 슬롯(26)이 형성되어 있는데, 각각 2 개씩의 열전달판 삽입 슬롯(26)이 한 쌍의 배터리 셀 삽입 슬롯(25)의 사이에 위치한다. 여기서, 열전달판 삽입 슬롯(26)의 개수와 배치 위치는 변경가능하다.
한편, 열전달판 삽입 슬롯(26)은 배터리 셀 삽입 슬롯(25)과 반대로 상면판(23) 및 하면판(24)의 배면쪽 단부로부터 시작하여 정면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는데, 이는 제1 열전달판(31)을 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면쪽에서만 삽입가능하도록 하기 위함이다. 따라서, 제1 열전달판(11)을 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면쪽에서 삽입하여 정면쪽 단부 가까이까지 밀어 넣을 수만 있다면, 배터리 셀 삽입 슬롯과 마찬가지로 열전달판 삽입 슬롯의 구체적인 구성은 변경가능하다.
여기서, 배터리 모듈 수납장치(20)에 삽입되는 배터리 모듈(10)과 배터리 모듈 온도조절 장치(30)에 대해 설명하고, 이들을 배터리 모듈 수납장치(20)에 수납하는 방식에 대해 설명한다.
배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(11)로 이루어진다. 도면에서 배터리 셀(11)은 4 개로 이루어지지만 이 개수는 얼마든지 변경가능하다.
배터리 셀(11) 각각은 직사각형의 판상으로 이루어지고, 내부에 양극판과 음극판이 분리막을 개재하여 적층되고 전해질이 채워진 전형적인 리튬 이차전지일 수 있다. 또한, 배터리 셀(11) 내부에는 과충전 등의 오사용에 의한 발화나 폭발을 방지하기 위한 방폭안전 장치나 제어회로가 포함될 수 있다. 도면에서 참조부호 12는 각 배터리 셀(11)의 전극 단자인 전극 탭이다. 각 배터리 셀(11)의 크기는 배터리 모듈 수납장치(20)의 상면판(23)과 하면판(24)에 형성된 배터리 셀 삽입 슬롯(25)에 끼워지고, 완전히 삽입되었을 때 정면쪽 단부에서 약간 더 들어간 위치에서 전극 탭(12)이 노출될 수 있는 크기이다.
배터리 모듈 수납장치(20)에 수납되는 복수의 배터리 셀(11)을 냉각 또는 히팅하기 위한 배터리 모듈 온도조절 장치(30)는, 제1 열전달판(31), 히트 파이프(32) 및 제2 열전달판(33)을 포함한다.
제1 열전달판(31)은 배터리 모듈 수납장치(20)에 삽입되어 배터리 모듈 수납장치(20)에 수납된 배터리 셀(11)의 표면과 접하여 배터리 셀(11)과 열교환을 행하기 위한 구성요소이다. 구체적으로 제1 열전달판(31)은 열전도율이 높은 알루미늄이나 동 등의 금속으로 이루어지고, 배터리 모듈 수납장치(20)의 상면판(23)과 하면판(24)에 형성된 열전달판 삽입 슬롯(26)에 정확히 삽입될 수 있는 크기를 가진다.
히트 파이프(32)는 제1 열전달판(31)의 상기 배터리 셀(11)의 표면과 접하는 면과 반대쪽의 면에 부착되고 배터리 모듈 수납장치(20)의 외부 즉, 배면쪽으로 연장된다. 히트 파이프(32)는 내부에 물과 같은 작동유체가 채워진 중공 파이프로서, 별도의 기계적 에너지를 공급하지 않고도 발열부(흡열부)에서 작동유체가 증발하고 방열부에서 응축되는 순환 메커니즘에 의해 대상물의 냉각 및 히팅을 수행하는 온도조절 수단이다.
도면에서 히트 파이프(32)는 각각의 제1 열전달판(31)에 2 개씩 부착되는 것으로 도시되었으나 히트 파이프의 개수는 얼마든지 변경가능하다. 또한, 히트 파이프(32)에는 그 양쪽에 각각 1매씩 2 매의 열전달판(31)을 부착하는 것으로 도시되었지만, 히트 파이프의 한쪽에만 1 매의 열전달판을 부착하도록 할 수도 있음은 물론이다.
제2 열전달판(33)은 배터리 모듈 수납장치(20)의 외부(배면쪽)에서 배터리 모듈 수납장치(20)의 외부로 연장된 히트 파이프(32)의 단부와 접속되어 공기와 열교환을 행한다. 구체적으로 제2 열전달판(33)은 제1 열전달판(31)과 마찬가지로 열전도율이 높은 알루미늄이나 동 등의 금속으로 이루어지고, 제1 열전달판(31)이 이루는 평면과 수직한 평면을 이루도록 히트 파이프(32)의 단부와 접속된다. 한편, 도면에서 제2 열전달판(33)은 서로 평행하게 3 매가 약간의 간격을 두고 이격되어 함께 히트 파이프(32)와 접속하는 것으로 도시되었지만 제2 열전달판의 매수는 얼마든지 변경가능하다. 또한, 제2 열전달판(33)의 표면에는 공기와의 열교환 효율을 높이기 위해 방열핀(흡열핀)을 형성할 수도 있다.
이어서, 배터리 모듈 수납장치(20)에 배터리 모듈(10)과 온도조절 장치(제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32))를 삽입 수납하여 배터리 팩(100)을 조립하는 방식을 설명한다.
전술한 바와 같이, 배터리 모듈(10)은 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면쪽에서, 그리고 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)는 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면쪽에서 삽입하도록 되어 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 삽입 슬롯(25)은 좌우 한 쌍씩 두 쌍 즉, 4개의 배터리 셀(11)을 삽입할 수 있도록 형성되어 있고, 열전달판 삽입 슬롯(26)은 각 쌍의 배터리 셀 삽입 슬롯(25) 사이에 각 쌍의 제1 열전달판(31)을 삽입할 수 있도록 형성되어 있다. 또한, 배터리 셀 삽입 슬롯(25)과 열전달판 삽입 슬롯(26)은 매우 가깝게 인접하여 배치되어 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면쪽에서 각각의 배터리 셀(11)을 배터리 셀 삽입 슬롯(25)에 끼우고 배면쪽으로 밀어 넣고, 또한 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면쪽에서 배터리 모듈 온도조절 장치(30) 전체를, 각각의 제1 열전달판(31)이 각각의 열전달판 삽입 슬롯(26)에 끼워지도록 위치결정하여 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면쪽으로 밀어 넣는다. 그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 수납장치(20)의 내부 공간에 배터리 모듈(10)이 수납되어 배터리 팩(100)을 구성하게 된다. 또한, 배터리 모듈 수납장치(20)의 내부 공간에는 온도조절장치의 일부인 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)가 수납되고, 각 제1 열전달판(31)은 각 배터리 셀(11)의 표면과 밀착되어 접하게 된다. 또한, 각 배터리 셀(11)의 전극 탭(12)을 서로 연결하여 버스 바(13)를 형성함으로써 배터리 셀(11)들을 직렬 또는 병렬로 연결한다.
이어서, 선택적으로, 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면 커버인 정면판(27)을 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면에 결합할 수도 있다. 이 정면판(27)에는 배터리 팩(100)의 출력 단자인 콘센트, 배터리 팩(100) 내부의 각 배터리 셀 또는 모듈의 상태를 나타내는 표시등, 배터리 셀이나 모듈을 제어하기 위한 제어단자 연결부 등이 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 배터리 팩(100)의 출력 단자나 제어 단자는 정면쪽에 배치되는 것으로 도시하고 설명하였으나, 배터리 팩(100)의 배면쪽으로 우회하는 배선을 마련하고, 필요에 따라 제2 열전달판(33)을 통과시킴으로써 배터리 팩(100), 나아가 전력 저장 시스템의 배면쪽에 배치할 수도 있다.
이상과 같이 본 실시예의 배터리 모듈 수납장치(20) 및 배터리 모듈 온도조절 장치(30)에 의하면, 배터리 모듈 수납장치(20)의 정면쪽에서 배터리 모듈(10)을 밀어 넣고, 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면쪽에서 배터리 모듈 온도조절 장치(30)를 밀어 넣는 간단한 동작으로 배터리 팩(100)을 구성할 수 있고, 특정 배터리 셀(11)이나 온도조절 장치의 부품을 교체하는 등의 유지 보수도 매우 간편하게 행할 수 있다.
한편, 이상에서는 하나의 배터리 팩(100)을 구성하는 경우의 실시예를 설명했지만, 본 발명은 복수의 배터리 팩(100)을 구성하여 스택 구조의 전력 저장 시스템을 구성할 때에 매우 적합하게 적용할 수 있다.
이하, 복수의 배터리 모듈을 각각의 배터리 모듈 수납장치(20)에 수납하여 복수의 배터리 팩(100)을 구성하고 온도조절 장치(30)와 결합하는 구조를 도시한 사시도인 도 5 및 도 6을 참조하여, 스택 구조의 전력 저장 시스템을 구성하는 실시예를 설명한다. 다만, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
먼저, 본 실시예에서는 복수(도 5 및 도 6에서 3 개로 도시되었지만, 그 개수는 얼마든지 변경가능하다)의 배터리 모듈 수납장치(20)를 이용하여 복수의 배터리 팩(100)을 구성한다. 여기서, 각각의 배터리 모듈 수납장치(20)와 배터리 모듈(10)은 전술한 실시예와 동일하므로 그 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 실시예에서 배터리 팩(100)은 복수 개이지만, 온도조절 장치(30)는 복수의 배터리 팩(100) 공통으로 하나만 구비한다. 즉, 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)는 각각의 배터리 팩(100)에 필요한 두 쌍씩 총 6 쌍을 구비하지만, 제2 열전달판(33)은 3 개의 배터리 팩(100) 전체를 커버하는 크기를 갖는 하나만을 구비한다(여기서, 제2 열전달판(33)이 '하나'라는 것은 복수의 배터리 팩(100)에 공통된다는 의미로서, 제2 열전달판(33)의 매수는 복수일 수 있다). 따라서, 배터리 셀(11) 간의 균일한 온도조절은 물론 복수의 배터리 팩(100) 간의 균일한 온도조절을 도모할 수 있다.
복수의 배터리 모듈 수납장치(20)에 복수의 배터리 모듈(10)과 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)를 삽입하여 복수의 배터리 팩(100)을 구성하는 방법은 전술한 실시예와 기본적으로 동일하다. 다만, 도 5 및 도 6에는 도시되지 않았지만, 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 팩(100)을 함께 수납하여 스택의 각 단을 구성하는 배터리 팩 케이스(200)를 사용하는 경우에는, 각각의 배터리 모듈 수납장치(20)에 각각의 배터리 모듈(10)만을 삽입하여 각각의 배터리 팩(100)을 구성한 다음, 복수의 배터리 팩(100)을 배터리 팩 케이스(200)에 수납하여 스택의 각 단을 구성하고, 마지막으로 스택 구조의 전력 저장 시스템의 배면쪽에서 하나의 공통 온도조절 장치(30)의 복수의 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)를 복수의 배터리 팩(배터리 모듈 수납장치)에 한꺼번에 삽입하여 스택 구조의 전력 저장 시스템을 구성한다. 이때, 도 5 및 도 6에는 3 개의 배터리 팩(100)으로 구성되는 한 단의 스택만을 도시하였지만, 도 1에 도시된 바와 같이 예컨대 3 단의 스택 구조로 하는 경우, 도 5 및 도 6에 도시된 온도조절 장치(30)에서 제1 열전달판(31) 및 히트 파이프(32)는 세로 방향으로 3 단위로 증가되고, 제2 열전달판(33)은 세로 방향으로 3 배 연장되는 크기를 가지게 된다.
한편, 도 6에서 참조부호 34는 제2 열전달판(33)에 공기를 공급하는 송풍 팬이다. 이 팬(34)은 전술한 전력 저장 시스템 전체를 감싸는 하우징(미도시) 안의 적당한 위치에 설치함으로써 제2 열전달판(33)에 공기를 공급하게 된다. 또한, 도시하지는 않았지만, 팬(34) 앞에 히터를 설치함으로써 히팅이 필요할 때에 제2 열전달판(33)에 열풍을 공급하도록 할 수 있다. 나아가, 상기 팬(34)과 제2 열전달판(33)을 전력 저장 시스템 전체를 감싸는 하우징(미도시) 안에 배치하지 않고 하우징 바깥에 배치하여 외기와의 열교환을 더욱 원활하게 할 수도 있다.
이와 같이 구성된 전력 저장 시스템에서, 배터리 셀(11)이 발열되면 그 열은 배터리 셀(11)의 표면과 접한 제1 열전달판(31)을 통해 히트 파이프(32)로 전달되고, 히트 파이프(32) 내부의 작동유체는 증발되어 상대적으로 차가운 제2 열전달판(33) 쪽으로 이동하여 응축된 후 다시 제1 열전달판(31) 쪽으로 순환되어 배터리 셀(11)들을 냉각하게 된다. 반면, 콜드 스타트와 같이 배터리 셀(11) 쪽이 상대적으로 차가운 경우에는 이와 반대의 동작으로 배터리 셀(11)을 히팅하게 된다.
따라서, 전력 저장 시스템의 배터리 셀(11)들의 온도를 항상 일정하게 조절 유지할 수 있게 된다. 또한, 모든 배터리 셀(11)들에 동일한 구조의 제1 열전달판(31)과 히트 파이프(32)가 접속되어 있고, 전체 시스템을 커버하는 크기의 공통의 제2 열전달판(33)을 구비함으로써 배터리 셀(11)간 및 배터리 팩(100)간 균일한 온도를 유지할 수 있다.
이어서, 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예의 변형예에 따른 배터리 모듈 온도조절 장치에 대해 설명한다.
먼저, 도 7에 도시된 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(130)는, 도 2에 도시된 배터리 온도조절 장치(30)의 변형예로서, 도 2에서는 2매의 제1 열전달판(31)이 히트 파이프(32)의 외경만큼의 간격을 두고 이격되어 히트 파이프(32)를 그 사이에 삽입함으로써 접속하는 구조였음에 비해, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 2매의 제1 열전달판(131)이 서로 이격되지 않고 접합되어 있다. 따라서, 본 변형예에서는 도 7의 (b)(1매의 제1 열전달판(131)을 제거한 상태의 도면)에 도시된 바와 같이, 제1 열전달판(131)의 서로 마주보는 표면에는 각각 단면 반원형의 그루브가 형성되어 있고, 이 그루브에 히트 파이프(132)가 안착되도록 구성된다. 한편, 도 7의 (c)는 히트 파이프(132')의 형상과 그에 따라 히트 파이프(132')가 안착되는 그루브의 형상을 지그재그 형상으로 한 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(130')를 도시한 것으로서, 히트 파이프의 배치 형상을 다양하게 변형할 수 있음을 나타낸다.
이와 같이, 본 변형예에 따르면 2매로 이루어지는 제1 열전달판의 전체 두께를 도 2에 비해 줄일 수 있어, 배터리 팩 및 전체 전력 저장 시스템을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있다.
도 8에 도시된 다른 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(230)는, 도 2 및 도 7에 도시된 배터리 모듈 온도조절 장치(30, 130)가 한 쌍의 제1 열전달판(31, 131)의 사이에 히트 파이프(32, 132)를 삽입하는 구성이었음에 비해, 1매의 제1 열전달판(231)의 내부에 히트 파이프(232)를 삽입하는 구성이다. 즉, 도 8의 (a) 및 (b)(도 8의 (a)에서 B-B선에 따른 단면도)에 도시된 바와 같이, 본 변형예의 제1 열전달판(231)의 내부에는 서로 평행하게 복수의 홈이 형성되어 있고, 히트 파이프(232)가 각각의 홈 내부에 삽입되어 있다. 본 변형예의 온도조절 장치(230) 역시 도 7에 도시된 변형예의 온도조절 장치(130)와 마찬가지로, 제1 열전달판의 전체 두께를 도 2에 비해 줄일 수 있어, 배터리 팩 및 전체 전력 저장 시스템을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있다.
도 9에 도시된 또 다른 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(330)는, 도 8에 도시된 배터리 모듈 온도조절 장치(230)와 마찬가지로 제1 열전달판(331)이 1매로 이루어져 있다. 본 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(330)가 도 8에 도시된 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(230)와 다른 점은, 히트 파이프를 위한 별도의 파이프를 구비하지 않고, 제1 열전달판(331)의 내부에 서로 평행하게 형성된 복수의 홈(332)에 작동유체를 넣음으로써 히트 파이프를 형성한다는 점이다. 본 변형예의 온도조절 장치(330)는, 제1 열전달판의 전체 두께를 도 2에 비해 줄여 배터리 팩 및 전체 전력 저장 시스템을 더욱 컴팩트하게 구성할 수 있음에 더해, 히트 파이프를 위한 별도의 부품을 준비하지 않아도 되므로 부품수가 줄어든다는 이점이 있다.
이어서, 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈 수납장치(420), 배터리 모듈 온도조절 장치(430) 및 전력 저장 시스템을 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 모듈 수납장치의 구조와 배터리 모듈 및 온도조절 장치가 배터리 모듈 수납장치에 수납되는 구조를 도시한 일부 절개 분해 사시도이고, 도 11은 도 10에 따라 배터리 모듈이 배터리 모듈 수납장치에 수납되어 배터리 팩을 구성하고, 거기에 온도조절 장치가 결합된 상태를 도시한 사시도이다. 이하의 설명에서는, 전술한 실시예에 따른 각 구성요소에 대해서는 동일한 또는 동일 계열의 참조부호를 부여하여 상세한 설명을 생략하고, 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 모듈 수납장치(420)는, 전술한 실시예에서의 배터리 모듈 수납장치(20)와 마찬가지로 직육면체 형상으로 이루어진다. 즉, 배터리 모듈 수납장치(420)는, 제1 및 제2 측면판(421, 422), 상면판(423) 및 하면판(424)을 포함한다. 물론, 이러한 제1, 제2 측면판(421, 422), 상면판(423) 및 하면판(424)은 개념적으로 구분되는 요소이고, 이 네 개의 판들 또는 일부의 판들이 일체로 성형될 수도 있다.
상기 상면판(423)의 저면과 상기 하면판(424)의 상면에는, 전술한 실시예와 마찬가지로, 상호 대향하는 위치에 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯(425) 및 복수의 열전달판 삽입 슬롯(426)이 제1 및 제2 측면판(421, 422)과 평행하게 형성되어 있다. 여기서, 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯(425) 및 복수의 열전달판 삽입 슬롯(426)은, 각각 복수의 배터리 셀(11) 및 복수의 제1 열전달판(431)이 각각 정면 및 배면쪽에서만 삽입가능하다록, 각각 정면쪽 단부 및 배면쪽 단부로부터 시작하여 각각 배면쪽 단부 및 정면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있다.
구체적으로, 상면판(423)의 저면과 하면판(424)의 상면에는 4 개씩의 배터리 셀 삽입 슬롯(425)이 형성되어 있는데, 이 배터리 셀 삽입 슬롯(425)의 개수와 배치는 단위 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀(11)의 개수와 배치에 따라 임의로 변경가능하다. 또한, 상면판(423)의 저면과 하면판(424)의 상면에는, 인접하는 한 쌍의 배터리 셀 삽입 슬롯(425)의 사이에 하나씩 총 2개의 열전달판 삽입 슬롯(426)이 형성되어 있는데, 열전달판 삽입 슬롯(426)의 개수와 배치 위치도 변경가능하다.
본 실시예의 배터리 모듈 온도조절 장치(430)는, 제1 열전달판(431), 히트 파이프(432) 및 제2 열전달판(433)을 포함한다.
제1 열전달판(431)은 배터리 모듈 수납장치(420)에 삽입되어 배터리 셀(11)의 표면과 접하여 배터리 셀(11)과 열교환을 행하기 위한 구성요소로서, 전술한 실시예의 제1 열전달판(31)과 실질적으로 동일하다.
히트 파이프(432)는 내부에 물과 같은 작동유체가 채워진 중공 파이프로서, 제1 열전달판(431)의 일측면에 예컨대 용접과 같은 방법으로 접속된다. 구체적으로, 히트 파이프(432)는 그 길이 방향이 제1 열전달판(431)의 일측면과 평행하게 즉, 배터리 모듈 수납장치(420)의 배면쪽 외부에서 상하 방향으로 연장되도록 제1 열전달판(431)의 배면쪽 일측면에 부착된다. 또한, 히트 파이프(432)는 배터리 모듈 수납장치(420)의 배면쪽 외부에서 위쪽으로 더 연장된다.
한편, 도면에서 제1 열전달판(431)은 각각 인접하는 한 쌍의 배터리 셀(11) 사이에 하나씩 삽입되도록 2 매가 마련되고, 그 각각의 일측면에 히트 파이프(432)가 접속되는 것으로 도시되었으나, 제1 열전달판(431)과 히트 파이프(432)의 개수는 얼마든지 변경가능하다. 예를 들어, 전술한 실시예에서와 같이, 인접하는 한 쌍의 배터리 셀(11) 사이에 2 매의 제1 열전달판(431)이 배치되거나, 인접하는 모든 배터리 셀(11)들 사이에 각각 1 매씩의 제1 열전달판(431)이 배치되도록 할 수도 있다. 이 경우, 배터리 모듈 수납장치(420)의 상하면판(423, 424)의 표면에 형성된 열전달판 삽입 슬롯(426)의 개수와 배치도 그에 맞게 변경된다.
제2 열전달판(433)은 배터리 모듈 수납장치(420)의 외부(배면쪽)에서 배터리 모듈 수납장치(420)의 상부로 연장된 히트 파이프(432)의 단부와 접속되어 공기와 열교환을 행한다. 제2 열전달판(433)은 제1 열전달판(431)이 이루는 평면 및 히트 파이프(432)의 길이 방향과 수직한 평면을 이루도록 히트 파이프(432)의 단부와 접속된다. 기타 제2 열전달판(433)의 재질, 형상, 매수 등은 전술한 실시예에서와 마찬가지로 하면 된다. 또한, 제2 열전달판(433)의 표면에는 공기와의 열교환 효율을 높이기 위해 방열핀(흡열핀)을 형성할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서 배터리 모듈 수납장치(420)에 삽입되는 배터리 모듈(10) 및 배터리 모듈(10)을 구성하는 배터리 셀(11)은 전술한 실시예와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 이루어진 배터리 모듈 수납장치(420), 배터리 모듈(10) 및 온도조절 장치(430)는, 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 배터리 모듈(10)을 배터리 모듈 수납장치(420)의 정면쪽에서, 그리고 온도조절 장치(430)를 배터리 모듈 수납장치(420)의 배면쪽에서 삽입함으로써 배터리 팩(400)을 구성한다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈 수납장치(420)의 내부 공간에 배터리 모듈(10)이 수납되어 배터리 팩(400)을 구성하게 되고, 또한 배터리 모듈 수납장치(420)의 내부 공간에는 온도조절 장치의 일부인 제1 열전달판(431)이 수납되어 각 배터리 셀(11)의 표면과 밀착되어 접하게 된다. 또한, 각 배터리 셀(11)의 전극 탭(12)을 서로 연결하여 버스 바(13)를 형성함으로써 배터리 셀(11)들을 직렬 또는 병렬로 연결한다. 또한, 선택적으로, 배터리 모듈 수납장치(420)의 정면 커버인 정면판(427)을 배터리 모듈 수납장치(420)의 정면에 결합할 수도 있다. 본 실시예의 정면판(427)은 전술한 실시예의 정면판(27)과 실질적으로 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
이상과 같이 본 실시예의 배터리 모듈 수납장치(420) 및 배터리 모듈 온도조절 장치(430)에 의하면, 배터리 모듈 수납장치(420)의 정면쪽에서 배터리 모듈(10)을 밀어 넣고, 배터리 모듈 수납장치(420)의 배면쪽에서 배터리 모듈 온도조절 장치(430)를 밀어 넣는 간단한 동작으로 배터리 팩(400)을 구성할 수 있고, 특정 배터리 셀(11)이나 온도조절 장치(430)의 부품을 교체하는 등의 유지 보수도 매우 간편하게 행할 수 있다.
한편, 본 실시예도 전술한 실시예와 마찬가지로, 복수의 배터리 팩(400)을 구성하여 전력 저장 시스템을 구성할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따라 복수의 배터리 모듈(10)을 각각의 배터리 모듈 수납장치(420)에 수납하여 복수의 배터리 팩(400)을 구성하고 온도조절 장치(430)와 결합하는 구조를 도시한 사시도인 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 팩(400)으로 이루어지는 전력 저장 시스템을 구성할 수 있다.
도 12 및 도 13에 도시된 복수의 배터리 팩(400)으로 구성되는 전력 저장 시스템은, 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 배터리 팩(400)은 복수 개이지만, 온도조절 장치(430)는 복수의 배터리 팩(400)에 공통으로 하나만 구비한다. 즉, 제1 열전달판(431) 및 히트 파이프(432)는 각각의 배터리 팩(400)에 필요한 2 개씩 총 6 개를 구비하지만, 제2 열전달판(433)은 3 개의 배터리 팩(400) 전체를 커버하는 크기를 갖는 하나만을 구비한다(여기서, 제2 열전달판(433)이 '하나'라는 것은 복수의 배터리 팩(400)에 공통된다는 의미로서, 제2 열전달판(433)의 매수는 복수일 수 있다). 따라서, 배터리 셀(11) 간의 균일한 온도조절은 물론 복수의 배터리 팩(400) 간의 균일한 온도조절을 도모할 수 있다. 또한, 본 실시예에서도 전술한 실시예와 마찬가지로, 제2 열전달판(433)에 공기를 공급하는 송풍 팬(34)이나 히터를 설치할 수 있다.
이어서, 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한 실시예의 변형예에 따른 배터리 모듈 온도조절 장치에 대해 설명한다.
먼저, 도 14에 도시된 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(530)는, 도 10에 도시된 배터리 온도조절 장치(430)의 변형예로서, 도 10에서는 히트 파이프(431)가 제1 열전달판(431)의 일측면에 예컨대 용접과 같은 방법으로 부착됨으로써 접속되었지만, 본 변형예에서는, 도 14의 (a) 및 (b)(도 14의 (a)에서 화살표 B 방향에서 본 저면도)에 도시된 바와 같이, 1매의 판상 부재로 이루어지는 제1 열전달판(531)이 히트 파이프(532)를 감싸며 절곡되어 히트 파이프와 접속된다. 본 변형예에 따르면, 판상 부재(531)를 절곡하여 히트 파이프(532)를 감싸 접속하므로, 용접에 비해 접속이 균일하고 안정적이다.
도 15에 도시된 다른 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(530')는, 도 14에 도시된 배터리 모듈 온도조절 장치(530)와 비교하여 제2 열전달판(533')의 구성이 다르다. 즉, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 변형예에서 제2 열전달판(533')은 제1 열전달판(531)과 마찬가지로 판상 부재로 이루어지고 히트 파이프(532)를 감싸면서 절곡되어 접속된다. 여기서, 제2 열전달판(533')은 2매의 판상 부재를 히트 파이프(532)를 감싸면서 절곡함과 함께 접합하여 이루어지는 것으로 도시되었으나 제1 열전달판(531)과 마찬가지로 1매의 판상 부재만으로 이루어질 수도 있다.
도 16에 도시된 또 다른 변형예의 배터리 모듈 온도조절 장치(630)는, 도 10에 도시된 배터리 모듈 온도조절 장치(430)에서 복수의 히트 파이프(432)를 1매의 판상 부재(634)로 변경하고, 그에 따라 제1 열전달판(631) 및 제2 열전달판(633)과 히트 파이프를 이루는 판상 부재(634)의 접속 구조를 변경한 것이다. 즉, 도 16의 (a) 및 (b)(도 16의 (a)에서 수평방향으로 잘라본 단면도)에 도시된 바와 같이, 히트 파이프가 그 내부에 서로 평행한 복수의 홈(632)이 형성된 판상 부재(634)로 이루어진다. 또한, 제1 열전달판(631)은 판상 부재(634)에서 상기 복수의 홈(632)들 사이에 형성된 슬롯에 삽입됨으로써 히트 파이프와 접속된다. 또는, 제1 열전달판(631)과 판상 부재(634)는 일체로 성형될 수도 있다.
본 변형예에 따르면, 제1 열전달판(631)을 슬롯에 삽입하는 간단한 조작으로 히트 파이프와 접속할 수 있어 조립이 간편하다. 나아가, 제1 열전달판(631)과 판상 부재(634)가 일체로 성형된 경우에는 제1 열전달판과 히트 파이프의 접속 자체가 필요 없게 되어 전체 시스템의 제작이 더욱 간편해진다.
이어서, 도 17 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 배터리 모듈 온도조절 장치(730) 및 전력 저장 시스템을 설명한다.
도 17 및 도 18에 도시된 본 실시예는, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 실시예와, 배터리 모듈 온도조절 장치, 그 중에서도 히트 파이프와 제2 열전달판의 접속 구조가 변경된 것을 제외하고 나머지 구성은 동일하다. 따라서, 이하의 설명에서는 배터리 모듈 온도조절 장치(730)를 중심으로 설명하고, 배터리 모듈(10)과 배터리 모듈 수납장치(20)에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예에서 복수의 배터리 팩(100)에 공통으로 장착되는 온도조절 장치(730)는, 제1 열전달판(731), 히트 파이프(732a, 732b) 및 제2 열전달판(733)을 포함한다.
제1 열전달판(731)은 전술한 도 5 및 도 6의 실시예와 마찬가지로 인접하는 한 쌍의 배터리 셀(11) 사이에 각각 2매씩 삽입되어 배터리 셀(11)과 열교환을 행한다.
히트 파이프는 제1 히트 파이프(732a)와 제2 히트 파이프(732b)로 이루어지고, 제1 히트 파이프(732a)는 전술한 도 5 및 도 6의 실시예와 마찬가지로 제1 열전달판(731)의 상기 배터리 셀(11)의 표면과 접하는 면과 반대쪽의 면에 부착되고 배터리 모듈 수납장치(20)의 외부 즉, 배면쪽으로 연장된다. 제2 히트 파이프(732b)는 각각의 제1 히트 파이프의 단부(배터리 모듈 수납장치(20)의 배면쪽으로 연장된 단부)와 접속되어 배터리 모듈 수납장치(20)의 외부에서 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면과 평행하게 연장된다.
제1 히트 파이프(732a)와 제2 히트 파이프(732b)는, 제1 히트 파이프(732a)가 접속될 위치에 홀이 형성된 제2 히트 파이프(732b)의 상기 홀에 제1 히트 파이프(732a)를 용접함으로써 접속할 수 있다. 그러나, 이 경우 제1 히트 파이프(732a)와 제2 히트 파이프(732b)가 접속되는 부분에서 작동유체의 유로가 매끄럽지 못하여 작동유체의 흐름이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 도 19에 도시된 바와 같이, 예컨대 주조 등의 방법으로 제1 히트 파이프(732a)와 제2 히트 파이프(732b)의 각각 하부 구조물(732a1, 732b1)과 상부 구조물(732a2, 732b2)을 만들고, 하부 구조물(732a1, 732b1)에 정해진 양의 작동유체를 담은 다음, 하부 구조물(732a1, 732b1)과 상부 구조물(732a2, 732b2)을 용접등의 방법으로 접합하여 제1 히트 파이프(732a)와 제2 히트 파이프(732b)를 제조하는 것이 바람직하다. 여기서, 도 19에 도시된 바와 같이, 제1 히트 파이프(732a)와 제2 히트 파이프(732b)가 접속되는 부분에서 작동유체의 유로(732)는 서로 매끄럽게 이어지도록 하부 구조물(732a1, 732b1)과 상부 구조물(732a2, 732b2)을 만드는 것이 더욱 바람직하다.
제2 열전달판(733)은 배터리 모듈 수납장치(20)의 외부(배면쪽)에서 배터리 모듈 수납장치(20)의 배면과 평행하게 연장된 제2 히트 파이프(732b)의 단부와 접속되어 공기와 열교환을 행한다. 전술한 실시예들의 제2 열전달판(33,433)은 제1 열전달판(31,431)이 이루는 평면과 수직한 평면을 이루지만, 본 실시예의 제2 열전달판(733)은 제1 열전달판(731)이 이루는 평면과 평행하다.
한편, 도면에서 제1 히트 파이프(732a)는 각각의 제1 열전달판(731)에 2 개씩 설치되고, 따라서 제2 히트 파이프(732b)도 2 개로 도시되었으나 제1 및 제2 히트 파이프의 개수는 얼마든지 변경가능하다. 또한, 제1 히트 파이프(732a)에는 그 양쪽에 각각 1매씩 2 매의 제1 열전달판(731)을 부착하는 것으로 도시되었지만, 히트 파이프의 한쪽에만 1 매의 제1 열전달판을 부착하도록 할 수도 있음은 물론이다. 나아가, 제2 열전달판(733)의 표면에는 공기와의 열교환 효율을 높이기 위해 방열핀(흡열핀)을 형성할 수도 있다.
또한, 특정의 실시예에 기재된 구체적인 구성이나 특징 또는 변형예들은 구조적으로 모순되지 않는 한 다른 실시예에도 적용가능함은 물론이다.
이상에서 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.
10: 배터리 모듈
11: 배터리 셀
12: 전극 탭
13: 버스 바
20,420: 배터리 모듈 수납장치
21,22,421,422: 측면판
23,423: 상면판
24,424: 하면판
25,425: 배터리 셀 삽입 슬롯
26,426: 열전달판 삽입 슬롯
27,427: 정면판
30,130,230,330,430,530,630,730: 온도조절 장치
31,131,231,331,431,531,631,731: 제1 열전달판
32,132,232,332,432,532,632,732a,732b: 히트 파이프
33,133,233,333,433,533,633,733: 제2 열전달판
34: 팬
100,400: 배터리 팩
200: 배터리 팩 케이스

Claims (29)

  1. 열전달판을 포함하는 온도조절 수단과, 각각 판상인 복수의 배터리 셀이 수납되는 내부 공간이 형성된 배터리 모듈 수납장치에 있어서,
    상기 내부 공간의 양 측면을 형성하도록 상호 대향하는 형태로 구비되는 제1 및 제2 측면판;
    상기 내부 공간의 상면을 형성하고 상기 제1 및 제2 측면판의 상부 모서리를 서로 연결하는 상면판; 및
    상기 내부 공간의 하면을 형성하도록 상기 상면판과 대향하는 형태로 구비되고 상기 제1 및 제2 측면판의 하부 모서리를 서로 연결하는 하면판을 포함하고,
    상기 상면판의 저면과 상기 하면판의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 상기 복수의 배터리 셀이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯이 상기 제1 및 제2 측면판과 평행하게 형성되어 있고,
    상기 상면판의 저면과 상기 하면판의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 상기 열전달판이 세워져서 삽입가능하도록 복수의 열전달판 삽입 슬롯이 상기 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯과 인접하여 상기 제1 및 제2 측면판과 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 수납장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯은, 상기 복수의 배터리 셀을 상기 배터리 모듈 수납장치의 정면쪽에서만 삽입가능하도록, 상기 상면판 및 하면판의 정면쪽 단부로부터 시작하여 배면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 수납장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 열전달판 삽입 슬롯은, 상기 열전달판을 상기 배터리 모듈 수납장치의 배면쪽에서만 삽입가능하도록, 상기 상면판 및 하면판의 배면쪽 단부로부터 시작하여 정면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 수납장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 수납장치의 정면을 커버하는 정면판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 수납장치.
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  17. 각각 내부 공간에 복수의 배터리 셀이 수납된 복수의 배터리 팩과, 상기 배터리 셀을 냉각 또는 히팅하기 위한 온도조절 장치를 구비하는 전력 저장 시스템에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각은 직사각형의 판상 구조를 갖고,
    상기 복수의 배터리 팩 각각은 상기 내부 공간에 상기 복수의 배터리 셀을 서로 평행하게 세워서 수납하고,
    상기 온도조절 장치는,
    각각 상기 복수의 배터리 팩 내부로 삽입되고, 상기 복수의 배터리 셀 사이에 삽입되어 상기 배터리 셀의 표면과 접하는 복수의 제1 열전달판;
    각각 상기 복수의 제1 열전달판에 설치되고, 상기 배터리 팩의 외부로 연장되는 복수의 히트 파이프; 및
    상기 배터리 팩의 외부에서 상기 배터리 팩의 외부로 연장된 상기 복수의 히트 파이프의 단부들과 공통으로 접속되는 제2 열전달판을 포함하는 전력 저장 시스템에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩 각각은 상기 복수의 배터리 셀, 제1 열전달판 및 히트 파이프를 수납하는 케이스를 가지고,
    상기 케이스는,
    상기 내부 공간의 양 측면을 형성하도록 상호 대향하는 형태로 구비되는 제1 및 제2 측면판;
    상기 내부 공간의 상면을 형성하고 상기 제1 및 제2 측면판의 상부 모서리를 서로 연결하는 상면판; 및
    상기 내부 공간의 하면을 형성하도록 상기 상면판과 대향하는 형태로 구비되고 상기 제1 및 제2 측면판의 하부 모서리를 서로 연결하는 하면판을 포함하고,
    상기 상면판의 저면과 상기 하면판의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 상기 복수의 배터리 셀이 세워져서 삽입 가능하도록 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯이 상기 제1 및 제2 측면판과 평행하게 형성되어 있고,
    상기 상면판의 저면과 상기 하면판의 상면에는, 상호 대향하는 위치에 상기 제1 열전달판이 세워져서 삽입 가능하도록 복수의 열전달판 삽입 슬롯이 상기 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯과 인접하여 상기 제1 및 제2 측면판과 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 삽입 슬롯은, 상기 복수의 배터리 셀을 상기 케이스의 정면쪽에서만 삽입가능하도록, 상기 상면판 및 하면판의 정면쪽 단부로부터 시작하여 배면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서,
    상기 복수의 열전달판 삽입 슬롯은, 상기 열전달판을 상기 케이스의 배면쪽에서만 삽입가능하도록, 상기 상면판 및 하면판의 배면쪽 단부로부터 시작하여 정면쪽 단부에서 일정 거리 이격된 위치까지만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 복수의 제1 열전달판 각각은 인접하는 한 쌍의 배터리 셀의 사이에 삽입되어 각각의 배터리 셀의 표면과 접하도록 한 쌍으로 이루어지고,
    상기 히트 파이프는 상기 한 쌍의 제1 열전달판 사이에 끼워져 상기 한 쌍의 제1 열전달판에 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 열전달판은 서로 마주보는 표면에 그루브가 형성되어 있어, 이 그루브에 상기 히트 파이프가 안착되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 그루브는 지그재그 형상으로 형성되어 있어, 상기 그루브에 안착되는 상기 히트 파이프가 상기 그루브의 형상을 따라 지그재그 형상으로 안착되는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 제1 열전달판의 내부에는 서로 평행하게 복수의 홈이 형성되어 있고, 상기 히트 파이프는 각각의 홈 내부에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  24. 제 20항에 있어서,
    상기 제1 열전달판의 내부에는 서로 평행하게 복수의 홈이 형성되어 있고, 상기 복수의 홈에 작동유체가 채워져서 상기 히트 파이프를 형성하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  25. 제 20항에 있어서,
    상기 히트 파이프는, 상기 제1 열전달판에 설치되어 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부로 연장되는 제1 히트 파이프, 및 일단이 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부에서 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부로 연장된 상기 제1 히트 파이프의 단부와 접속되고, 타단이 상기 제2 열전달판에 접속되는 제2 히트 파이프로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  26. 제 20항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부에서 상기 제1 열전달판의 일측면에 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제1 열전달판은 1매의 판상 부재로 이루어지고, 상기 판상 부재가 상기 히트 파이프를 감싸며 절곡되어 상기 히트 파이프와 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  28. 제 26항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 1매의 판상 부재의 내부에 서로 평행하게 형성된 복수의 홈으로 이루어지고, 상기 제1 열전달판은 상기 배터리 모듈 수납장치의 외부에서 상기 복수의 홈들 사이에 삽입됨으로써 상기 히트 파이프와 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  29. 제 17항에 있어서,
    상기 제2 열전달판에 공기를 강제로 공급하는 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
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