KR101338248B1 - 냉각 시스템을 포함하고 있는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들이 직립 또는 도립된 형태로 세워 적층된 구조의 전지모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리; 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 대해 수직 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 상호 반대방향으로 전지모듈의 상부 및 하부에 위치해 있는 냉매 유입구 및 냉매 배출구; 전지모듈의 상부에 위치해 있고 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부와, 전지모듈의 하부에 위치해 있고 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부; 전지모듈의 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구로부터 상향 연장되어 있는 냉매 배출 덕트; 및 냉매가 냉매 유입부로부터 전지모듈을 관통한 후 냉매 배출구로 이동하기 위한 구동력을 제공하며, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 최소화할 수 있도록 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있는 흡입팬;을 포함하고 있는 전지팩을 제공한다.

Description

냉각 시스템을 포함하고 있는 전지팩 {Battery Pack Comprising Cooling System}
본 발명은 안전성이 우수한 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위모듈들이 직립 또는 도립된 형태로 세워 적층된 구조의 전지모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리; 상호 반대방향으로 전지모듈의 상부 및 하부에 위치해 있는 냉매 유입구 및 냉매 배출구; 전지모듈의 상부에 위치해 있고 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부와, 전지모듈의 하부에 위치해 있고 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부; 전지모듈의 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구로부터 상향 연장되어 있는 냉매 배출 덕트; 및 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 최소화할 수 있도록 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있는 흡입팬;을 포함하고 있는 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 전지팩이 사용된다.
중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 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 전지팩이 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 전지팩을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 전지셀의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지셀의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
한편, 종래의 전지팩의 경우, 전지셀들 사이로 냉매의 유동 구동력을 제공하기 위한 송풍팬 또는 흡입팬이 전지팩의 일측면 전방 또는 후방에 위치한 구조로 이루어져 있다. 그런데, 이러한 구조는 차량의 충돌시 전지팩의 측면 방향으로 외력이 인가되어 송풍팬 또는 흡입팬이 파손되고, 이들이 전지모듈을 파손시키는 문제점이 있다.
따라서, 차량의 후방 충돌과 같은 외력의 인가시 송풍팬 또는 흡입팬이 외력에 의해 전지셀들을 포함하고 있는 전지셀들을 파손시키는 것을 방지할 수 있는 구조의 전지팩이 매우 필요한 실정이다.
또한, 출력 및 대용량을 확보하기 위해 2열 이상 배열되는 전지모듈을 포함하는 전지팩을 진동 및 충격으로부터 내구성을 확보하고 콤팩트 하게 구성할 수 있는 특정 구조의 전지팩이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 최소화하여 전지팩의 안전성을 담보하는 전지팩 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 특정한 부재들에 의해 전지모듈 어셈블리를 지지하는 구조를 취함으로써, 구조적 안정성이 우수하고 콤팩트 전지팩 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 차량의 일부 형태를 이용하여 전지팩의 일부 구조를 형성함으로써, 차량에 안정적으로 장착되고 차량 내부에서 차지하는 부피를 최소화할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들이 직립 또는 도립된 형태로 세워 적층된 구조의 전지모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리;
전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 대해 수직 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 상호 반대방향으로 전지모듈의 상부 및 하부에 위치해 있는 냉매 유입구 및 냉매 배출구;
전지모듈의 상부에 위치해 있고 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부와, 전지모듈의 하부에 위치해 있고 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부;
전지모듈의 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구로부터 상향 연장되어 있는 냉매 배출 덕트; 및
냉매가 냉매 유입부로부터 전지모듈을 관통한 후 냉매 배출구로 이동하기 위한 구동력을 제공하며, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 최소화할 수 있도록 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있는 흡입팬;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 흡입팬이 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있어서, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 흡입팬이 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 주는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 흡입팬이 전지모듈의 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구로부터 상향 연장되어 있는 냉매 배출 덕트와 연결되어 있으므로, 냉매가 냉매 유입부로부터 전지모듈을 관통한 후 냉매 배출구로 이동되는 속도를 빠르게 하여 전지셀들 또는 단위모듈들의 냉각 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서의 상기 단위모듈은 이차전지 자체이거나 또는 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 소형 모듈일 수 있다. 둘 또는 그 이상의 이차전지들을 내장한 형태의 단위모듈의 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-12303호의 모듈을 들 수 있다. 상기 출원에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 입출력 단자가 형성되어 있는 프레임 부재에 장착된 구조로 이루어져 있다.
단위모듈의 또 다른 예로는 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-20772호와 제2006-45444호의 모듈들을 들 수 있다. 이들 출원들에서의 단위모듈은 두 개의 이차전지들을 서로 대면하도록 밀착시킨 상태로 그것의 외면을 한 쌍의 고강도 셀 커버로 감싼 구조로 이루어져 있다.
상기 출원들은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다. 그러나, 본 발명의 전지모듈에서 단위모듈의 구조가 상기 출원들의 예로 한정되는 것이 아님은 물론이다.
상기 전지셀은 한정된 공간에서 높은 적층률을 제공할 수 있도록 바람직하게는 판상형 전지셀이며, 예를 들어, 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 전지셀은 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있는 파우치형 이차전지로서, 전체적으로 폭 대비 두께가 얇은 대략 직육면체 구조인 판상형으로 이루어져 있다. 이러한 파우치형 이차전지는 일반적으로 파우치형의 전지케이스로 이루어져 있으며, 상기 전지케이스는 내구성이 우수한 고분자 수지로 이루어진 외부 피복층; 수분, 공기 등에 대해 차단성을 발휘하는 금속 소재로 이루어진 차단층; 및 열융착될 수 있는 고분자 수지로 이루어진 내부 실란트층이 순차적으로 적층되어 있는 라미네이트 시트 구조로 구성되어 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈 어셈블리는 전지모듈이 측면방향으로 2열 이상의 개수로 배열되어 있는 전지모듈 배열체 구조로 이루어져 있어서, 1개의 전지모듈로 구성된 종래의 전지팩 구조와 비교하여 고출력 대용량의 전기용량을 제공할 수 있다.
또한, 상기 구조에서, 상기 전지모듈 별로 냉매 배출 덕트 및 흡입팬이 각각 형성되어 있어서, 냉매 유입구를 통해 유입된 냉매가 냉매 유입부, 전지모듈, 냉매 배출부, 냉매 배출구, 및 냉매 배출 덕트를 통과하여 외부로 배출되는 과정을 통해 전지모듈들 각각을 효과적으로 냉각할 수 있다.
또 다른 하나의 바람직한 예에서, 상기 전지모듈 어셈블리는,
(a) 전지모듈이 측면방향으로 2열 이상의 개수로 배열되어 있는 전지모듈 배열체;
(b) 상기 전지모듈 배열체의 최외곽 전지모듈에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체의 양 측면을 각각 지지하는 한 쌍의 측면 지지부재들;
(c) 상기 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 전지모듈들의 하단을 지지하는 두 쌍의 하단 지지부재들;
(d) 상기 측면 지지부재들의 상단이 결합되어 있고, 직립된 전지모듈들의 상단이 결합되어 있으며, 일측 또는 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 2개 이상의 제 1 상부 장착부재들;
(e) 상기 제 1 상부 장착부재들과 수직으로 교차하는 구조로 제 1 상부 장착부재들의 상단에 결합되어 있고, 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 제 2 상부 장착부재; 및
(f) 전지모듈 배열체의 일 측면에 위치하고, 제 1 상부 장착부재들의 하단에 결합되어 있으며, 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 측면 장착부재;
를 포함하고 있는 구조로 구성될 수 있다.
따라서, 측면 장착부재와 제 2 상부 장착부재의 양측 단부, 및 제 1 상부 장착부재들의 일측 또는 양측 단부가 각각 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어져 있으므로, 전지팩을 외부 디바이스에 용이하고 안정적으로 장착할 수 있다.
또한, 한 쌍의 측면 지지부재들이 전지모듈 배열체의 양 측면을 각각 지지하고 있으므로, 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 있는 하단 지지부재의 굽힘 강성을 확실하게 보강할 수 있고, 상하 방향 진동에 대한 전지팩 전체의 구조적 신뢰성을 충분히 확보할 수 있다.
참고로, 본 명세서에서 방향들은, 전지모듈 배열체의 일 측면(도 1의 C)에서 전지모듈 배열체를 투시한 상태를 기준으로, '전', '후', '좌', '우', '상', '하' 등으로 설정하여 표현한다.
상기 제 1 상부 장착부재들, 제 2 상부 장착부재, 하단 지지부재들, 및 측면 장착부재는 수직단면상으로 I-빔(beam) 또는 각관의 형태를 가진 구조로 이루어져 있어서, 전지팩의 진동 및 충격에 대한 변형을 관성 모멘트 값이 높은 각관에 의해 최소화할 수 있다.
상기 각관은 바람직하게는 사각 파이프 또는 원형 파이프일 수 있으며, 이러한 형상들은, 판재를 소정의 형태로 절곡하거나 I형 형태 등을 가진 종래의 프레임과 비교하여 관성 모멘트 값이 커 전지팩의 진동에 대한 내진성을 향상시킬 수 있다.
상기 구조에서, 제 1 상부 장착부재들과 제 2 상부 장착부재 상에 전장부재가 추가로 장착되어 있는 구조일 수 있으며, 전장부재는 예를 들어 배터리의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지 및 사용할 수 있도록 배터리 시스템을 자동 관리하고, 배터리의 교체시기를 예측하고 문제의 배터리를 사전에 발견하는 기능을 수행하는 BMS(Battery Management System), 고전압의 흐름을 차단 및 연결하는 장치인 PRA(Power Relay Assembly) 등일 수 있다.
상기 측면 지지부재는 전지모듈 배열체의 양 측면을 용이하게 지지할 수 있는 형상이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어 평면상 직사각형으로 이루어질 수 있다.
상기 하단 지지부재의 하부에는 일측 단부가 측면 지지부재에 결합되어 있고, 타측 단부는 냉매 배출 덕트의 일측 하단면에 결합되어 있는 하부 플레이트가 추가로 장착되어 있어서, 전지팩에 대한 외력의 인가시 전지모듈 배열체가 하부 방향으로 이동하는 것을 하단 지지부재들과 함께 이중으로 방지하고, 하부 플레이트와 하단 지지부재 사이의 공간은 냉매 배출부로 사용될 수 있다.
상기 제 1 상부 장착부재들은 직립 또는 도립된 전지모듈을 용이하게 장착할 수 있는 구조이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 전지모듈 배열체의 전면과 후면 단부에 각각 결합되는 2개의 양단 부재들과 전지모듈 배열체의 중앙에 결합되는 1개의 중앙 부재로 구성되어 있어서, 전체적으로 전지모듈 배열체의 질량을 균등하게 유지할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 제 1 상부 장착부재들은 우측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조일 수 있다.
상기 측면 장착부재의 양측 단부들은 외부 디바이스에 대한 결합이 용이할 수 있도록 제 2 상부 장착부재와 평행하게 상향 절곡되어 있고, 절곡된 부위에는 체결구가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 2 상부 장착부재의 양측 단부들은 외부 디바이스에 대한 결합이 용이할 수 있도록 측면 장착부재와 평행하게 하향 절곡되어 있고, 절곡된 부위에는 체결구가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 전지셀들 또는 단위모듈들 사이의 유로에 흐르는 냉매의 유량을 균일하게 분배할 수 있으며, 그에 따라 전지셀들 또는 단위모듈들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거하고, 전지의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공한다.
구체적으로, 상기 전지팩에서, 상기 전지모듈의 상단부에 대면하는 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 전지모듈의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고, 상기 냉매 유입구는 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있는 구조로 구성되어 있어서, 외부 디바이스에 대한 장착 조건에 따라 냉매 유입구의 위치가 팩 케이스의 위치보다 상부에 위치하는 경우에도 소망하는 수준의 냉각 효율성을 용이하게 확보할 수 있다.
여기서, '양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면'이란, 냉매 유입구 쪽에 위치한 냉매 유입부의 상단 내면이 냉매 유입구의 대향 단부 쪽에 위치하는 냉매 유입부의 상단 내면보다 높은 위치에 있음을 의미한다.
하나의 바람직한 예로서, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 5도로 이루어질 수 있다. 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 의하면, 놀랍게도 경사면의 기울기 각도(A)가 상기와 같은 범위를 가지는 경우, 단위모듈들 간의 온도 편차가 더욱 감소함을 확인할 수 있었다.
또 다른 바람직한 예로서, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 20 내지 50도로 형성될 수 있다. 일반적으로, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 작을수록 냉매 유입구로 유입된 냉매가 냉매 유입구의 대향 단부에 위치한 유로까지 보다 많이 이동할 수 있다. 그러나, 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 경사면의 기울기 각도(A)가 3 내지 8도인 경우, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)를 20 내지 50도로 형성한 구조에서, 냉매의 온도 편차가 감소됨을 확인하였다. 또한, 냉매 유입부의 상단 내면을 앞서 언급한 바와 같은 특정 경사 구조로 형성한 경우 이외에, 냉매 유입구의 폭이 단위 셀들간 온도 편차에 영향을 많이 미치는 요인으로 밝혀졌다.
따라서, 상기 냉매 유입구의 폭을 전지모듈의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 형성하는 경우, 외부 디바이스의 장착 조건에 따라 발생하는 냉매의 온도 편차를 보다 효율적으로 감소시킬 수 있으며, 10 내지 20%의 크기로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 냉매 유입구의 대향 단부는 전지모듈의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 전지모듈의 상단면으로부터 이격되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 냉매 유입구의 대향 단부에 도달하는 냉매의 양을 적절히 제한하므로, 단위모듈들에 대한 냉매의 균일한 분배 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 바람직하게는 전지모듈의 상단면으로부터 1 내지 10 mm 정도 이격된 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 냉매 유입구에는 냉매를 냉매 유입구로 용이하게 유입할 수 있도록, 바람직하게는, 송풍 팬이 추가로 장착될 수 있다. 이러한 구조에서, 송풍 팬에 의해 발생한 냉매의 유동 구동력에 의해, 좁은 유입구를 통해 유입된 냉매는 빠른 유속으로 유입구에서 멀리 떨어진 단위 셀까지 충분히 도달하여, 냉매의 유량이 동일한 조건에서 상대적으로 균일한 유량 분배 효과를 발휘한다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 사용하며 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차를 제공한다.
자동차의 전원으로 사용되는 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.
이 경우, 상기 자동차는 전지팩이 차량의 트렁크 하단부 또는 차량의 리어 시트와 트렁크 사이에 장착되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 흡입팬이 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있으므로, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 흡입팬의 충격을 최소화하여 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈 어셈블리가 I-빔 또는 각관 구조물로 이루어진 제 1 상부 장착부재들, 제 2 상부 장착부재, 하단 지지부재들, 및 측면 장착부재에 조립되어 있으므로, 전지팩의 질량을 각관 구조물에서 유지할 수 있다.
더욱이, 차량의 일부 형태를 이용하여 전지팩의 일부 구조를 형성함으로써, 차량에 안정적으로 장착되고 차량 내부에서 차지하는 부피를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈을 팩 케이스에 장착한 구조를 나타내는 수직 단면 모식도이다;
도 3은 도 2의 구조에서 냉매 유입구의 대향 단부가 전지셀 적층체의 상단면으로부터 이격된 구조를 나타내는 수직 단면 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 전지팩의 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 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지모듈을 팩 케이스에 장착한 구조를 나타내는 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
먼저 도 1을 도 2와 함께 참조하면, 전지팩(800)은 전지모듈 어셈블리, 한 쌍의 냉매 유입구(310) 및 냉매 배출구(320), 한 쌍의 냉매 유입부(340)와 냉매 배출부(350), 및 한 쌍의 냉매 배출 덕트(530)와 흡입팬(540)으로 구성되어 있다.
냉매 유입구(310) 및 냉매 배출구(320)는 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 단위모듈들(430)의 적층방향에 대해 수직 방향으로 전지모듈(300)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 상호 반대방향으로 전지모듈(300)의 상부와 하부에 위치해 있다.
냉매 유입구(310)로부터 전지모듈(300)에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부(340)는 전지모듈(300)의 상부에 위치해 있고, 전지모듈(300)로부터 냉매 배출구(320)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(350)는 전지모듈(300)의 하부에 위치해 있다.
냉매 배출 덕트(530)는 전지모듈 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구(320)로부터 상향 연장되어 있고, 냉매가 냉매 유입부(340)로부터 전지모듈(300)을 관통한 후 냉매 배출구(320)로 이동하기 위한 구동력을 제공하는 흡입팬(540)은 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있어서, 전지팩의 측면 방향(D)으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 흡입팬(540)의 충격을 최소화한다. 또한, 전지팩(800)의 측면방향(D)은 차량의 후방에 해당하는 위치이다.
또한, 본 명세서에서 방향들은, 전지모듈 배열체(300b)의 일 측면(C)에서 전지모듈 배열체(300b)를 투시한 상태를 기준으로, '전', '후', '좌', '우', '상', '하' 등으로 설정하여 표현되어 있다.
전지모듈 어셈블리는 2개의 전지셀이 내장된 단위모듈들(330)이 직립된 형태로 세워 적층된 구조의 전지모듈들(300, 300a)이 측면방향으로 2열로 배열된 전지모듈 배열체(300b)를 포함하고 있고, 한 쌍의 냉매 배출 덕트(530) 및 흡입팬(540)은 전지모듈들(300, 300a) 별로 각각 형성되어 있다.
구체적으로, 전지모듈 어셈블리는, 전지모듈 배열체(300b), 한 쌍의 측면 지지부재들(570, 580), 두 쌍의 하단 지지부재들(도시하지 않음), 3개의 제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506), 제 2 상부 장착부재(510), 및 측면 장착부재(520)로 구성되어 있다.
측면 지지부재들(570, 580)은 전지모듈 배열체(300b)의 최외곽 전지모듈에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체(300b)의 좌측면과 우측면을 지지하고 있고, 두 쌍의 하단 지지부재들(도시하지 않음)은 측면 지지부재들(570, 580)의 하단에 결합되어 있다.
제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506)은 측면 지지부재들(570, 580)의 상단과 전지모듈들(300, 300a)의 상단에 결합되어 있고, 우측 단부가 외부 디바이스(도시하지 않음)에 체결되는 구조로 이루어져 있다.
제 2 상부 장착부재(510)는 제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506)과 수직으로 교차하는 구조로 제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506)의 상단에 결합되어 있고, 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어져 있다.
측면 장착부재(520)는 전지모듈 배열체(300b)의 좌측면에 위치하고, 제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506)의 하단에 결합되어 있으며, 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어져 있다.
또한, 제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506), 제 2 상부 장착부재(510), 하단 지지부재들(도시하지 않음), 및 측면 장착부재(520)는 수직단면상으로 사각 파이프 형상의 각관으로 이루어져 있고, BMS(550)와 PRA(560)가 제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506)과 제 2 상부 장착부재(510) 상에 프레임에 의해 각각 장착되어 있다.
측면 지지부재들(570, 580)은 평면상 직사각형으로 이루어져 있고, 일측 단부가 우측 측면 지지부재(580)에 결합되어 있고, 타측 단부는 냉매 배출 덕트(530)의 하단면에 결합되어 있는 하부 플레이트(도시하지 않음)가 하단 지지부재(도시하지 않음)의 하부에 장착되어 있다.
제 1 상부 장착부재들(502, 504, 506)은 전지모듈 배열체(300b)의 전면과 후면 단부에 각각 결합되는 2개의 양단 부재들(502, 504)과 전지모듈 배열체(300b)의 중앙에 결합되는 1개의 중앙 부재(506)로 구성되어 있고, 우측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어져 있다.
또한, 측면 장착부재(520)의 양측 단부들은 제 2 상부 장착부재(510)와 평행하게 상향 절곡되어 있고, 절곡된 부위에는 체결구(522)가 형성되어 있어서, 외부 디바이스에 대한 결합을 용이하게 달성한다.
제 2 상부 장착부재(510)의 양측 단부들은 측면 장착부재(520)와 평행하게 하향 절곡되어 있고, 절곡된 부위에는 체결구(512)가 형성되어 있어서, 외부 디바이스에 대한 결합을 용이하게 달성한다.
다음으로 도 2를 참조하면, 팩 케이스(370)는 단위모듈들(330)의 적층 방향(L)에 대응하는 길이가 단위모듈들(330)의 폭 방향(W)에 대응하는 길이보다 상대적으로 길게 형성되어 있다. 또한, 단위모듈들(330)의 적층방향(L)에 수직한 방향으로, 냉매가 전지모듈(332)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구(310)와 냉매 배출구(320)가 상호 반대방향으로 팩 케이스(370)의 상부 및 하부에 각각 형성되어 있다.
단위모듈들(330) 사이에는 냉매가 이동할 수 있는 작은 유로(360)가 형성되어 있어서, 냉매 유입구(310)로부터 유입된 냉매가 유로(360)를 통해 이동하면서 단위모듈(330)에서 발생한 열을 제거한 후, 냉매 배출구(320)를 통해 배출되게 된다.
또한, 도 2의 팩 케이스(370)는 냉매 유입구(310)의 기울기 각도(B)가 냉매 유입구(310)의 대향 단부에서 시작하는 경사면의 기울기 각도(A) 보다 크다. 또한, 냉매 유입구(310)의 폭(d)은 전지모듈(332)의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 대략 10%의 크기로 이루어져 있다.
냉매가 냉매 유입구(310)로부터 도입되어 냉매 유입구(310)의 기울기 각도(B)와 경사면의 기울기 각도(A)를 가진 냉매 유입부(340) 내부를 따라 이동할 때, 냉매의 유동 단면적은 냉매 유입구(310)의 단부(344)에서 멀어질수록 경사면의 각도(A)에 의해 점차 줄어들게 된다. 이 과정에서 냉매의 이동 속도는 점차 빨라지지만 냉매 유량은 감소하게 되어, 냉매가 냉매 유입구(310)로부터 먼 거리에 위치한 단위모듈들(330)까지 도달하면서 냉매 유입구(310)와 인접한 단위모듈들과 냉매 유입구(310)로부터 먼 거리에 위치한 단위모듈들 모두가 균일하게 냉각된다.
냉매의 균일성을 높여 온도 편차를 최소화할 수 있도록, 경사면의 기울기 각도(A)는 전지모듈(332)의 상단면을 기준으로 대략 4도의 기울기를 가지고 있고, 냉매 유입구(310)의 기울기 각도(B)는 대략 20도의 기울기를 가지면서 각각 냉매 유입부(340)의 상단 내면(342)에 형성되어 있다. 또한, 냉매 유입구의 폭(d)은 대략 팩 케이스(370)의 길이(l)를 기준으로 10%의 크기로 형성되어 있다.
또한, 팩 케이스(370)는, 냉매 유입구(310)의 대향 단부의 기울기(A)가 냉매 유입구(310)의 기울기(B)보다 작은 2개의 경사진 구조로 이루어져 있으므로, 냉매 유량이 냉매 배출구(220)가 있는 쪽으로 몰리는 현상을 방지할 수 있어서, 냉매 유입구(210)에 인접한 단위모듈들의 온도가 상승하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 3에는 도 2의 구조에서 냉매 유입구의 대향 단부가 전지셀 적층체의 상단면으로부터 이격된 구조를 나타내는 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 냉매 유입구(410)의 대향 단부는 단위모듈 적층체(432)의 상단면으로부터 대략 1 mm의 높이(h)로 이격되어 있어서, 냉매 유입구의 기울기 각도(B) 및 경사면의 기울기 각도(A)를 통과한 냉매 중 한정된 양의 냉매만이 냉매 유입구(410)의 대향 단부에 도달함으로써, 대향 단부에 인접한 단위모듈들(430)이 과냉각되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들이 직립 또는 도립된 형태로 세워 적층된 구조의 전지모듈을 포함하는 전지모듈 어셈블리;
    전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 대해 수직 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 상호 반대방향으로 전지모듈의 상부 및 하부에 위치해 있는 냉매 유입구 및 냉매 배출구;
    전지모듈의 상부에 위치해 있고 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부와, 전지모듈의 하부에 위치해 있고 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부;
    전지모듈의 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구로부터 상향 연장되어 있는 냉매 배출 덕트; 및
    냉매가 냉매 유입부로부터 전지모듈을 관통한 후 냉매 배출구로 이동하기 위한 구동력을 제공하며, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 최소화할 수 있도록 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있는 흡입팬;
    을 포함하고 있고,
    상기 전지모듈 어셈블리는,
    (a) 전지모듈이 측면방향으로 2열 이상의 개수로 배열되어 있는 전지모듈 배열체;
    (b) 상기 전지모듈 배열체의 최외곽 전지모듈에 밀착된 상태로 전지모듈 배열체의 양 측면을 지지하는 한 쌍의 측면 지지부재들;
    (c) 상기 측면 지지부재들의 하단에 결합되어 전지모듈들의 하단을 지지하는 두 쌍의 하단 지지부재들;
    (d) 상기 측면 지지부재들의 상단이 결합되어 있고, 직립된 전지모듈들의 상단이 결합되어 있으며, 일측 또는 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 2개 이상의 제 1 상부 장착부재들;
    (e) 상기 제 1 상부 장착부재들과 수직으로 교차하는 구조로 제 1 상부 장착부재들의 상단에 결합되어 있고, 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 제 2 상부 장착부재; 및
    (f) 전지모듈 배열체의 일 측면에 위치하고, 제 1 상부 장착부재들의 하단에 결합되어 있으며, 양측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조로 이루어진 측면 장착부재;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는 전지모듈이 측면방향으로 2열 이상의 개수로 배열되어 있는 전지모듈 배열체 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지모듈 별로 냉매 배출 덕트 및 흡입팬이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 상부 장착부재들, 제 2 상부 장착부재, 하단 지지부재들, 및 측면 장착부재는 수직단면상으로 I-빔(beam) 또는 각관의 형태를 가진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 각관은 사각 파이프 또는 원형 파이프인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 상부 장착부재들과 제 2 상부 장착부재 상에 전장부재가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 지지부재는 평면상 직사각형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 하단 지지부재의 하부에는 일측 단부가 측면 지지부재에 결합되어 있고, 타측 단부는 냉매 배출 덕트의 일측 하단면에 결합되어 있는 하부 플레이트가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 상부 장착부재들은 전지모듈 배열체의 전면과 후면 단부에 각각 결합되는 2개의 양단 부재들과 전지모듈 배열체의 중앙에 결합되는 1개의 중앙 부재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 상부 장착부재들은 우측 단부가 외부 디바이스에 체결되는 구조인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 장착부재의 양측 단부들은 외부 디바이스에 대한 결합이 용이할 수 있도록 제 2 상부 장착부재와 평행하게 상향 절곡되어 있고, 절곡된 부위에는 체결구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 상부 장착부재의 양측 단부들은 외부 디바이스에 대한 결합이 용이할 수 있도록 측면 장착부재와 평행하게 하향 절곡되어 있고, 절곡된 부위에는 체결구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈의 상단부에 대면하는 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 전지모듈의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고, 상기 냉매 유입구는 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 5도인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 20 내지 50도인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 전지모듈의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 전지모듈의 상단면으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구에는 냉매를 냉매 유입구로 용이하게 유입할 수 있도록 송풍 팬이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 전지팩은 차량의 트렁크 하단부 또는 차량의 리어 시트와 트렁크 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기자동차.
  21. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 하이브리드 전기자동차.
  22. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 플러그-인 하이브리드 전기자동차.
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