KR102256098B1 - 루버 핀 형상의 열전도 매개체를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

루버 핀 형상의 열전도 매개체를 구비한 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 다수의 배터리 모듈; 상기 다수의 배터리 모듈들이 높이는 공간을 제공하는 트레이; 상기 트레이의 상면을 가로지르도록 설치되어 상기 다수의 배터리 모듈들이 개별적으로 놓일 수 있는 공간을 구획하는 다수의 빔 프레임; 및 냉매가 유동할 수 있는 중공 구조로 형성되며, 각각의 상기 배터리 모듈의 측면부에 대향하게 배치되도록 각각 상기 다수의 빔 프레임들 중 일부와 선택적으로 결합되는 다수의 히트싱크를 포함하며,
상기 히트싱크와 상기 배터리 모듈의 열적 계면에는 루버(louver) 구조를 가지는 열전도 매개체가 개재되는 것을 특징으로 한다.

Description

루버 핀 형상의 열전도 매개체를 구비한 배터리 팩{Battery Pack having heat conductive medium of louver fin form}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 모듈 냉각 기술 및 그의 탑재 구조에 관한 것이다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV)의 동력원으로 사용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
예컨대, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 복수 개의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 즉, 배터리 모듈은 다수의 이차 전지가 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미하고, 배터리 팩은 용량 및 출력 등을 높이기 위해 다수의 배터리 모듈이 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미한다고 할 수 있다.
한편, 이러한 멀티 배터리 모듈로 구성된 배터리 팩은 각 배터리 모듈에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열 축적이 일어나 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 모듈들을 냉각시키는 냉각 장치가 반드시 필요하다.
일반적으로 배터리 팩의 냉각 방식에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 소음이 적고 냉각 성능이 더 우수한 수냉식이 널리 이용되고 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 수냉식 배터리 팩의 냉각 구성을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다.
일예로 도 1 또는 도 2와 같이, 종래의 수냉식 배터리 팩은 내부에 냉각수가 유동할 수 있는 유로가 형성된 중공 구조의 히트싱크(2)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 히트싱크(2)는 배터리 모듈(1)과 접촉하여 온도 차이에 의해 배터리 모듈(1)의 열을 흡수하는 구성 요소이다. 따라서 히트싱크(2)와 배터리 모듈(1) 간의 접촉 상태가 냉각 성능에 중요한 영향을 미친다.
도 1과 같이 배터리 모듈(1)들의 하부에 히트싱크(2)가 배치될 경우, 히트싱크(2)가 배터리 모듈(1)들의 무게에 눌려 배터리 모듈(1)과 히트싱크(2) 간의 접촉이 어느 정도 유지될 수 있다. 하지만, 실질적으로 배터리 모듈(1)과 히트싱크(2)의 외관이 고르지 못하기 때문에 그 표면 조도가 좋지 않다. 따라서 이러한 문제점을 보완하기 위해 배터리 모듈(1)과 히트싱크(2) 사이에 TIM(3,Thermal Interface Material)을 더 개재해 열전도율을 개선하기도 한다.
배터리 셀의 적층 형태에 따라서 또는 팩 케이스 설계상의 이유로 도 2와 같이, 배터리 모듈(1')의 측면부에 히트싱크(2')가 맞닿게 배치될 수도 있다. 그런데 이 경우, 도 1의 구성과 달리, 히트싱크(2')가 배터리 모듈의 무게 의해 눌려지는 형태가 아니기 때문에 일반적인 TIM(3, Thermal Interface Material)을 사용해서는 히트싱크(2')와 배터리 모듈(1')을 긴밀하게 접촉시키기 쉽지 않다. 예컨대 히트싱크(2')를 배터리 모듈(1')의 측면부에 마운팅 시키더라도 마운팅 부위 이외에는 접촉 상태가 약하고, 외부에서 충격이라도 가해지면 이들 사이의 간격이 더 벌어질 우려가 크다.
한편, 전기 자동차의 경우, 운행 중 예기치 않은 충격과 진동이 배터리 팩에 가해질 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈 간의 전기적 연결이 끊어지거나 배터리 모듈을 지지하는 팩 케이스의 변형이 일어날 수 있다.
따라서 특히, 전기 자동차용 배터리 팩은 외부 충격과 진동에 대한 충분한 내구성이 요구된다. 그 해결 방안으로 크래쉬 빔(Crash beam)이 배터리 팩의 기계적 강성도를 높이데 사용되기도 한다. 여기서 크래쉬 빔은 배터리 팩 케이스를 구성하는 트레이에 설치되어 트레이의 강성을 높이는 빔 형태의 구조물을 의미한다. 이러한 크래쉬 빔이 설치된 트레이는 내충격성이 높아져 외부 충격 또는 진동에도 변형이 쉽게 일어나지 않는다.
그런데 크래쉬 빔을 설치하면 배터리 팩의 기계적 강성은 더 좋아지지만, 배터리 모듈들을 탑재할 수 있는 공간이 그만큼 줄어든다. 더욱이 히트싱크 등의 필수적인 냉각 장치 구성을 더 추가하면 이를 포함한 배터리 팩의 용적률 내지 에너지 밀도가 낮아지는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0100907호 (2012.09.12) 베헤르 게엠베하 운트 콤파니 카게
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 외부 충격 및 진동에 대한 충분한 내구성을 갖추고 배터리 모듈들과 냉각 장치를 공간 효율적으로 수납할 수 있으며 배터리 모듈들에 대한 히트싱크의 접촉 상태를 강화시킬 수 있는 열전도 매개체를 갖춘 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 다수의 배터리 모듈; 상기 다수의 배터리 모듈들이 높이는 공간을 제공하는 트레이; 상기 트레이의 상면을 가로지르도록 설치되어 상기 다수의 배터리 모듈들이 개별적으로 놓일 수 있는 공간을 구획하는 다수의 빔 프레임; 및 냉매가 유동할 수 있는 중공 구조로 형성되며, 각각의 상기 배터리 모듈의 측면부에 대향하게 배치되도록 각각 상기 다수의 빔 프레임들 중 일부와 선택적으로 결합되는 다수의 히트싱크를 포함하며, 상기 히트싱크와 상기 배터리 모듈의 열적 계면에는 루버(louver) 구조를 가지는 열전도 매개체가 개재될 수 있다.
상기 열전도 매개체는 상기 히트싱크의 일면에 부착되는 판면과 상기 판면에 대해 미리 결정된 예각만큼 비스듬히 돌출 형성되는 다수의 루버 핀들을 포함할 수 있다.
상기 다수의 루버 핀들은 외압을 받으면 탄성 또는 소성 변형을 일으키는 물성을 갖도록 마련될 수 있다.
상기 열전도 매개체는 10XX 계열의 알루미늄 합금으로 마련될 수 있다.
상기 열전도 매개체는 상기 판면이 상기 히트싱크의 일면에 레이저 용접될 수 있다.
상기 다수의 빔 프레임들 중 일부는 속이 빈 각형 빔 프레임이며, 상기 히트싱크는 상기 각형 빔 프레임의 내부에 위치할 수 있다.
상기 다수의 빔 프레임들 중 일부는 I형 빔 프레임이며, 상기 히트싱크는 상기 I형 빔 프레임의 높이를 형성하는 컬럼을 기준으로 상기 컬럼 양쪽에 형성되는 만입부에 장착 가능하게 마련될 수 있다.
상기 히트싱크는 상기 만입부에 형상 맞춤되게 마련되고 열전도성 접착제로 접착되어 상기 I형 빔 프레임과 일체화될 수 있다.
상기 다수의 배터리 모듈들이 2×N 행렬로 배열되도록, 상기 다수의 빔 프레임 중 나머지 일부는 상기 트레이의 중앙을 가로지르는 하나의 센터 프레임이며, 상기 I형 빔 프레임은 각각 상기 센터 프레임에 대해 교차하고 상기 트레이에 등 간격으로 배치될 수 있다.
각각의 상기 히트싱크는 중공 구조로 냉매가 유입 및 유출되는 유입구와 유출구가 일단과 타단에 마련되고, 상기 센터 프레임을 관통해서 상기 I형 빔 프레임들을 따라 상기 트레이의 상면을 가로지르게 설치될 수 있다.
상기 트레이의 상부를 커버하는 팩 커버와, 상기 트레이의 양쪽 측면부를 각각 커버하는 2개의 측면 프레임을 더 포함하며, 상기 2개의 측면 프레임은 상기 히트싱크들의 유입구 및 유출구와 연통되게 연결되는 매니폴드 관 형태로 마련되어 냉매의 공급 및 배출 경로를 형성될 수 있다.
상기 센터 프레임은 외측면에 다수의 홀을 구비한 각관 형태로 마련되고, 상기 센터 프레임의 내부에는 상기 다수의 배터리 모듈들을 직렬 및 병렬 중 적어도 어느 하나의 형태로 연결시키는 커넥팅 모듈이 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다. 상기 자동차는 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 탄성 또는 소성 변형이 가능한 루버 구조의 열전도 매개체를 사용함으로써 히트싱크에 대한 개별 배터리 모듈의 접촉력을 강화시킬 수 있다. 이에 따라 냉각 효율이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 외부 충격이나 흔들림에도 개별 배터리 모듈들이 안정적으로 지지될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 빔 프레임과 히트싱크를 공간 효율적으로 결합하여 배터리 팩의 강성도 및 용적률을 증가시킬 수 있으며, 개별 배터리 모듈에 대한 냉각 구성을 컴팩트하게 구현할 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 아니된다.
도 1 및 도 2는 종래의 수냉식 배터리 팩의 냉각 구성을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 다수의 배터리 모듈이 탑재된 트레이의 사시도이다.
도 6은 도 5에서 단위 배터리 모듈 일부를 탈거한 트레이의 주요 부분 사시도이다.
도 7은 도 5의 I-I' 라인에 따른 단면도이다.
도 8은 도 7의 A 영역의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 매개체의 사시도이다.
도 10은 도 9의 B 영역의 확대도이다.
도 11은 도 10의 루버 핀들이 소성 변형된 상태를 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 프레임과 열전도 매개체의 구성을 도시한 도면들이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
즉, 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 사시도, 도 4는 도 3의 분해 사시도, 도 5는 도 4의 다수의 배터리 모듈이 탑재된 트레이의 사시도, 그리고 도 6은 도 5에서 단위 배터리 모듈 일부를 탈거한 트레이의 주요 부분 사시도이다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 다수의 배터리 모듈(100), 배터리 모듈(100)들을 수용하는 팩 케이스를 포함한다. 상기 팩 케이스는 다수의 배터리 모듈(100)들이 놓이는 공간을 제공하는 트레이(200)와, 상기 트레이(200)와 함께 다수의 배터리 모듈(100)들을 패키징하여 수납하는 팩 커버(300)와, 2개의 측면 프레임(400)으로 구성될 수 있다.
상기 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(미도시)이 적층되어 있으며, 그밖에 각종 부품들을 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀은 파우치형 이차 전지로 이루어질 수 있으며, 복수 개로 구비되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
각각의 배터리 셀은, 도면에서 도시하지는 않았지만, 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드 등 다양한 부품을 포함할 수 있다. 전극 리드는 양극 리드와 음극 리드를 포함할 수 있으며, 양극 리드는 전극 조립체의 양극판에 연결되고, 음극 리드는 전극 조립체의 음극판에 연결될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 파우치형 이차 전지의 적층 및 보호를 위한 적층용 프레임과, 모듈 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
적층용 프레임은 이차 전지를 적층하기 위한 수단으로서, 이차 전지를 홀딩함으로써 그 유동을 방지시키고, 상호 간 적층 가능하도록 구성되어 이차 전지의 조립을 가이드하는 역할을 한다. 참고로, 적층용 프레임은 셀 커버 또는 카트리지(cartridge) 등 다른 다양한 용어로 대체될 수도 있다.
모듈 엔드 플레이트는 배터리 셀 적층체를 보호하고 고정하기 위한 구성요소로써, 배터리 셀 적층체의 외곽을 감싸는 각형 구조물 또는 배터리 셀 적층체의 적어도 일면에 덧대는 판형 구조물을 의미할 수 있다. 모듈 엔드 플레이트는 기계적 강성도가 높고 열전도성이 우수한 금속 재질로 제작되는 것이 바람직하다.
도면의 편의상 도시하지 않았으나, 배터리 모듈(100)은 배터리 셀들 사이사이에 개재되는 냉각핀을 더 포함할 수도 있다. 냉각핀은 알루미늄과 같은 열전도성을 가지는 박형의 부재로, 끝단부가 외부로 연장되어 예컨대, 히트싱크(600)와 같은 다른 열 흡수 매체에 연결되고 배터리 셀들의 열을 외부로 전달하는 역할을 할 수 있다.
이와 같이, 배터리 모듈(100)은 다수의 배터리 셀들로 구성된 집합체 또는 다수의 배터리 셀들과 이들을 적층 및 보호하기 위한 그 밖의 부품들로 구성된 집합체를 의미할 수 있다. 그리고 본 발명의 배터리 팩(10)은 이러한 단위 배터리 모듈(100)들을 포함하여 구성된 집합체라 할 수 있다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 총 10개의 단위 배터리 모듈(100)을 사용하여 구성되며, 각 단위 배터리 모듈(100)은 2×5 행렬 형태로 트레이(200)의 상면에 탑재되어, 팩 커버(300) 및 2개의 측면 프레임(400)에 의해 패키징될 수 있다.
상기 트레이(200)와 팩 커버(300)는 대략 넓은 면적을 가진 플레이트 형태로 구성될 수 있으며, 각각 배터리 모듈(100)들의 하부와 상부에 위치되어 배터리 모듈(100)들의 하부와 상부를 커버할 수 있다. 그리고 2개의 측면 프레임(400)은 트레이(200)의 양쪽 측면부에 위치되어 배터리 모듈(100)들의 양쪽 측면부를 커버할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 2개의 측면 프레임(400)은 매니폴드 관 형태로 마련될 수 있다. 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 2개의 측면 프레임(400)은 내부에 배관 역할을 하는 통로가 형성되고, 외부에 인렛(410) 또는 아웃렛(420)과, 후술할 히트싱크(600)들의 유입구(610) 및 유출구(도 4에서 유입구의 반대편에 위치함)에 각각 접속할 수 있는 다수의 접속구(430)를 구비한 구조를 가진다. 이러한 2개의 측면 프레임(400)은 히트싱크(600)들에 유량을 분배하거나 히트싱크(600)들로부터 유량을 모으는 역할을 한다. 즉, 상기 2개의 측면 프레임(400)은 팩 케이스의 구성이면서 동시에 배터리 팩(10) 내,외부로 냉매의 공급 및 배출 경로를 형성하는 구성요소라 할 수 있다.
상술한 바와 같은 트레이(200), 팩 커버(300) 그리고 2개의 측면 프레임(400)으로 구성된 팩 케이스는 배터리 모듈(100)들에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 배터리 모듈(100)들을 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 따라서 트레이(200), 팩 커버(300) 그리고 2개의 측면 프레임(400)은 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작되는 것이 바람직할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 트레이(200)의 상면을 가로지르도록 설치되어 다수의 배터리 모듈(100)들이 개별적으로 놓일 수 있는 공간을 구획하는 다수의 빔 프레임(510,520)과, 냉각수가 유동할 수 있는 중공 구조로 형성되며, 각각의 배터리 모듈(100)의 측면부에 대향하게 배치되도록 각각 상기 다수의 빔 프레임들 중 일부와 선택적으로 결합되는 다수의 히트싱크(600)를 포함한다. 그리고 상기 히트싱크(600)와 배터리 모듈(100)의 열적 계면에는 루버(louver) 구조를 가지는 열전도 매개체(700)가 개재될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 다수의 빔 프레임들 중 일부는 I형 빔 프레임(510)으로 마련되고, 나머지 일부는 각관 형태의 빔 프레임으로 마련된다. 이하에서 각관 형태의 빔 프레임을 센터 프레임(520)으로 지칭하기로 한다.
더 구체적으로 설명하면, 도 5와 같이, 6개의 I형 빔 프레임(510)이 트레이(200)의 세로 방향(X축 방향)을 따라 각각 등 간격으로 배치될 수 있고 하나의 센터 프레임(520)이 상기 6개의 I형 빔 프레임(510)에 대해 교차하고 트레이(200)의 중앙을 가로지르게 배치될 수 있다. 이때 이웃한 2개의 I형 빔 프레임(510) 사이의 간격은 단위 배터리 모듈(100)의 폭에 대응하며, I형 빔 프레임(510)의 높이는 배터리 모듈(100)의 높이와 같거나 더 높게 형성될 수 있다. 이러한 구성으로, 총 10개의 단위 배터리 모듈(100)을 트레이(200)의 상면에 2×5 행렬 형태로 탑재시킬 수 있는 구획된 수납공간(S)을 형성시킬 수 있다.
각각의 단위 배터리 모듈(100)은 모듈 전극 단자(110)들이 센터 프레임(520)을 향하도록 하고 상기 개별 수납공간(S)에 안착될 수 있다. 안착된 단위 배터리 모듈(100)은 그 양쪽 측면부가 2개의 I형 빔 프레임(510)에 형합되어 있는 히트싱크에 대향하게 맞닿을 수 있다.
편의상 자세히 도시하지 않았으나, 센터 프레임(520)의 외측면에는 길이 방향(X축 방향)을 따라 다수의 홀(521)들이 구비될 수 있다. 그리고 센터 프레임(520) 내부에는 커넥팅 모듈(미도시)이 마련될 수 있다. 각 열의 2개씩의 단위 배터리 모듈(100)은 모듈 전극 단자(110)들이 서로 마주하며 센터 프레임(520)의 홀(521)들 속에 삽입되어 커넥팅 모듈에 접속될 수 있다.
상기 커넥팅 모듈은 직렬 및/또는 병렬 연결망을 형성하며 전기 전도성 소재로 제작된 버스 바들로 구성될 수 있다. 이러한 커넥팅 모듈은 다수의 배터리 모듈(100)들을 직렬 및 병렬 중 적어도 어느 하나의 형태로 연결시킬 수 있다. 또한, 커넥팅 모듈은 트레이(200)의 전면부 외측에 위치한 배터리 팩(10) 터미널 단자(11)에 연결될 수 있으며, 터미널 단자(11)는 배터리 팩(10) 외부에서 다른 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같은 배터리 모듈(100)들의 2×N 행렬 배열 방식과, I형 빔 프레임(510)과 센터 프레임(520)의 구성에 의하면, 배터리 모듈(100)들의 위치 고정 및 탑재를 용이하게 할 수 있고, 아울러 트레이(200)의 기계적 강성도를 증대시킬 수 있다. 또한, 트레이(200) 상에 고전압 케이블 등을 거의 노출하지 않고 배선 구조를 간명하게 처리할 수 있다. 이에 따라 배터리 팩(10)의 안전성 및 공간 활용성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 I형 빔 프레임(510)은, 도 8을 참조하면, 트레이(200) 상면에 대해 수평한 상단부(511)와 하단부(513) 그리고 상단부(511)와 하단부(513)의 중심을 수직으로 연결하여 I형 빔 프레임(510)의 높이를 형성하는 컬럼(512)으로 구성된다.
I형 빔 프레임(510)은 상단부(511)와 하단부(513) 사이 공간이 컬럼(512)에 의해 양분된 형태를 취한다. 이하 본 명세서에서는 상기 양분된 공간, 즉 컬럼(512) 양쪽에 형성되는 공간을 만입부라 정의하기로 한다. 히트싱크(600)는 이러한 I형 빔 프레임(510)의 만입부에 장착된다. 여기서 히트싱크(600)는 열 접촉에 의해 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체를 의미할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 히트싱크(600)는 I형 빔 프레임(510)의 만입부에 형상 맞춤되게 제작되며, 냉각수가 유입 및 유출되는 유입구(610)와 유출구가 각각 일단과 타단에 위치하고 내부에 유로를 포함하는 중공 구조로 이루어진다. 각각의 히트싱크(600)는 각각의 I형 빔 프레임(510)을 따라 트레이(200)의 일측 변에서 타측 변까지 센터 프레임(520)을 관통하여 연장될 수 있다.
히트싱크(600) 내부 유로에 흐르는 냉매는 유로에서 용이하게 흐르면서 냉각성이 우수한 유체이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어, 잠열이 높아 냉각 효율성을 극대화할 수 있는 물일 수 있다.
상기 히트싱크(600)는 I형 빔 프레임(510)과 일체화될 수 있다. 예컨대, I형 빔 프레임(510)의 안쪽 면에 열전도성 접착제를 도포한 후 히트싱크(600)를 I형 빔 프레임(510)의 만입부에 넣어 붙히는 방식으로 히트싱크(600)와 I형 빔 프레임(510)을 간단히 일체화시킬 수 있다. 이 경우, 히트싱크(600)를 별도의 위치에 마련하는 경우에 비해 트레이(200)의 공간 활용성이 증대될 수 있다.
즉, 본 발명의 배터리 팩(10)은, 하나의 I형 빔 프레임(510)과 2개의 히트싱크(600)를 형합하여 I형 빔 프레임(510)들 사이의 공간을 온전히 단위 배터리 모듈(100)을 개별적으로 탑재할 수 있는 공간으로 활용할 수 있으며, 각 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열을 배터리 모듈(100)의 양쪽 측면부로 방열시킬 수 있다. 또한, 히트싱크(600)에 의한 I형 빔 프레임(510)들의 냉각도 이루어질 수 있으므로 I형 빔 프레임(510)의 온도 상승에 따른 변형을 방지할 수도 있어 전체적인 배터리 팩 구조물들의 발열을 보다 효과적으로 잡을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 주로 도 6 및 도 8 내지 도 11을 같이 참조하면, 히트싱크(600)와 배터리 모듈(100)의 열적 계면에 루버 구조의 열전도 매개체(700)가 더 개재될 수 있다.
상기 열전도 매개체(700)는 히트싱크(600)의 일면에 부착되는 판면(710)과 상기 판면(710)에 대해 미리 결정된 예각만큼 비스듬히 하향 돌출 형성되는 다수의 루버 핀(720)들을 포함한다. 상기 판면(710)과 루버 핀(720)들은 개념적으로 구분되는 요소이고, 판면(710)과 루버 핀(720)들은 일체로 성형될 수 있음은 물론이다.
상기 열전도 매개체(700)는 열전도성이 우수하고 경량인 알루미늄, 또는 알루미늄 합금으로 마련될 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 합금 계열 중 10XX 계열을 사용하는 것이 좋다. 10XX 계열의 알루미늄 합금은 성분의 99 %가 알루미늄(Al)로 구성된 산업용 순수 알루미늄을 의미한다. 알루미늄의 순도가 높은 만큼, 가공성 및 열 전도성이 특히 우수하지만 강도가 낮기 때문에 탄성 또는 소성 변형이 가능하다.
열전도 매개체의 판면(710)은 박형의 대략 넓은 면적을 가지는 플레이트 형태로 제작되고 히트싱크(600)의 일면에 부착된다. 열전도 매개체(700)의 부착 방식은 압착, 접착, 용접 등이 있겠으나, 바람직하게는 레이저 용접 방식이 좋다. 용접 방식에 의할 때 열전도 매개체의 판면(710)과 히트싱크(600) 간의 접촉력 및 표면 조도가 가장 우수하여 열전도율이 향상될 수 있다.
열전도 매개체의 판면(710)에는, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 동일한 패턴의 루버 핀(720)들이 판면(710)의 가로 및 세로 방향으로 반복 형성될 수 있다. 상기 루버 핀(720)들은 판면(710)에 대해 미리 결정된 예각만큼 비스듬하게 하향 돌출된 형태를 취하고, 루버 핀(720) 안쪽 공간에는 통기구(721)가 형성될 수 있다. 통기구(721)는 루버 핀(720)으로 감싸인 형태를 취할 수 있다.
본 실시예에 따른 열전도 매개체(700)는 10XX 계열의 알루미늄 합금으로 제작되기 때문에 루버 핀(720)들이 외압을 받으면 소성 변형이 일어날 수 있다. 도 8과 같이, 배터리 모듈(100)은 수납공간(S)에 위에서 아래로 끼워지는 형태로 조립되는데, 이 과정에서 도 11과 같이, 루버 핀(720)들이 단위 배터리 모듈의 양쪽 측면부에 의해 가압되어 하부 방향으로 납작하게 눌려질 수 있다. 이와 같이, 배터리 모듈(100) 조립시 루버 핀(720)들이 배터리 모듈(100)의 측면부에 가압되어 접촉되기 때문에 이들 간의 접촉 상태가 강하게 지속적으로 유지될 수 있어 열 전도성이 극대화될 수 있다.
그리고 배터리 모듈(100)이 상기 수납공간(S)에 완전히 안착되고 나면, 루버 핀(720)들이 수직 방향으로 일정하게 켜를 짓기 때문에 배터리 모듈을 역방향으로 다시 빼내기는 매우 어려워진다. 따라서 이러한 루버 핀(720)들에 의하면 배터리 모듈(100)의 양쪽 측면부가 더 안정적으로 지지될 수 있고, 외부 충격이나 진동시에도 배터리 모듈(100)의 유동이 효과적으로 저지될 수 있다.
한편, 본 발명의 권리범위가 알루미늄 합금으로 제작된 루버 구조의 열전도 매개체(700)에 한정되는 것은 아니다. 이를테면, 열전도 매개체(700)는 우수한 열 전도성을 가지며, 루버 핀(720) 부분이 탄성 변형 가능한 물성을 가지는 소재로 형성될 수도 있다. 예컨대, 루버 핀(720)들은 실리콘고무(silicone rubber)로 형성될 수 있다. 실리콘고무는 열전도성과 방열성이 우수하면서 외압을 받으면 탄성 변형을 일으키는 물성을 갖는다.
탄성 변형 가능한 물성을 갖는 루버 핀(720)들은 배터리 모듈(100)의 측면부에 눌려 하부 방향으로 벤딩된 형태를 취할 수 있으며, 이때 원형으로 돌아가려는 탄성 복원력이 생겨 배터리 모듈(100)을 밀어내려 하기 때문에 배터리 모듈(100)에 대한 접촉력이 매우 강해질 수 있다.
이어서, 도 12 및 도 13을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 프레임과 열전도 매개체(700) 구성을 설명하기로 한다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 프레임과 열전도 매개체의 구성을 도시한 도면들이다. 이하에서 설명할 실시예는 전술한 실시예와 비교할 때, 대략 도 8에 대응하는 구성이라 할 수 있다. 동일한 부재번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예는 전술한 실시예의 I형 빔 프레임(510)의 대안으로 속이 빈 각형 빔 프레임(510')으로 구성된다. 그리고 각형 빔 프레임(510') 내부에 히트싱크(600)가 위치하게 구성된다. 이와 같이, 히트싱크(600)가 각형 빔 프레임(510') 내부에 위치하게 되면 트레이(200)의 공간 활용성이 더 좋아질 수 있다.
위의 설명에서는 각형 빔 프레임(510')과 히트싱크(600)를 구성적으로 구분하였으나, 예컨대, 속이 빈 각형 빔 프레임(510') 내부에 유로를 마련함으로써 각형 빔 프레임 자체를 히트싱크 용도로 사용할 수도 있다.
본 실시예에서 루버 구조의 열전도 매개체(700)는 히트싱크(600)가 각형 빔 프레임(510') 내부에 배치됨에 따라 각형 빔 프레임(510')의 일면에 부착된다. 루버 구조의 열전도 매개체(700) 구성 자체는 전술한 실시예와 동일하다. 즉, 본 실시예의 열전도 매개체(700)는 박형의 대략 넓은 플레이트 형태의 판면(710)과 그 판면(710)에 동일 패턴으로 반복 형성되는 루버 핀(720)들을 구비한다. 상기 루버 핀(720)들은 배터리 모듈(100)을 안착시키는 과정에서 배터리 모듈(100)의 측면부에 의해 가압되어 소성 변형 또는 탄성 변형을 일으키는 물성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 모듈들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 IT 제품군 등에도 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 배터리 팩 100: 배터리 모듈
110: 모듈 전극 단자 200: 트레이
300: 팩 커버 400: 측면 프레임
410: 인렛 420: 아웃렛
430: 접속구 510: I형 빔 프레임
511: 상단부 512: 컬럼
513: 하단부 520: 센터 프레임
600: 히트싱크 610: 유입구
700: 열전도 매개체 710: 판면
720: 루버 핀 721: 통기구

Claims (13)

  1. 다수의 배터리 모듈;
    상기 다수의 배터리 모듈들이 놓일 수 있는 공간을 제공하는 트레이;
    상기 트레이의 상면을 가로지르도록 설치되어 상기 다수의 배터리 모듈들이 개별적으로 놓일 수 있게 공간을 구획하는 다수의 빔 프레임; 및
    냉매가 유동할 수 있는 중공 구조로 형성되며, 각각의 상기 배터리 모듈의 측면부에 대향하게 배치되도록 각각 상기 다수의 빔 프레임들 중 일부와 선택적으로 결합되는 다수의 히트싱크를 포함하며,
    상기 히트싱크와 상기 배터리 모듈의 열적 계면에는 루버(louver) 구조를 가지는 열전도 매개체가 개재되고,
    상기 열전도 매개체는 상기 히트싱크의 일면에 부착되는 판면과, 상기 판면에 대해 미리 결정된 예각만큼 비스듬히 돌출 형성되는 다수의 루버 핀들을 포함하며, 상기 루버 핀들은 외압을 받으면 탄성 또는 소성 변형을 일으키는 물성을 가지고 상기 배터리 모듈에 가압 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 매개체는 10XX 계열의 알루미늄 합금으로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 매개체는 상기 판면이 상기 히트싱크의 일면에 레이저 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 빔 프레임들 중 일부는 속이 빈 각형 빔 프레임이며,
    상기 히트싱크는 상기 각형 빔 프레임의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 빔 프레임들 중 일부는 I형 빔 프레임이며,
    상기 히트싱크는 상기 I형 빔 프레임의 높이를 형성하는 컬럼을 기준으로 상기 컬럼 양쪽에 형성되는 만입부에 장착 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 히트싱크는 상기 만입부에 형상 맞춤되게 마련되고 열전도성 접착제로 접착되어 상기 I형 빔 프레임과 일체화되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 모듈들이 2×N 행렬로 배열되도록, 상기 다수의 빔 프레임 중 나머지 일부는 상기 트레이의 중앙을 가로지르는 하나의 센터 프레임이며, 상기 I형 빔 프레임은 각각 상기 센터 프레임에 대해 교차하고 상기 트레이에 등 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    각각의 상기 히트싱크는 중공 구조로 냉매가 유입 및 유출되는 유입구와 유출구가 일단과 타단에 마련되고, 상기 센터 프레임을 관통해서 상기 I형 빔 프레임들을 따라 상기 트레이의 상면을 가로지르게 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 트레이의 상부를 커버하는 팩 커버와, 상기 트레이의 양쪽 측면부를 각각 커버하는 2개의 측면 프레임을 더 포함하며,
    상기 2개의 측면 프레임은 상기 히트싱크들의 유입구 및 유출구와 연통되게 연결되는 매니폴드 관 형태로 마련되어 냉매의 공급 및 배출 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 센터 프레임은 외측면에 다수의 홀을 구비한 각관 형태로 마련되고,
    상기 센터 프레임의 내부에는 상기 다수의 배터리 모듈들을 직렬 및 병렬 중 적어도 어느 하나의 형태로 연결시키는 커넥팅 모듈이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항 및 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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