KR102266995B1 - 차량용 배터리 모듈 및 팩 - Google Patents

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Abstract

콤팩트한 셀 배치가 가능하며 충돌 시의 안정성능이 우수한 차량용 배터리 모듈 및 배터리 팩이 소개된다. 배터리 모듈은 육각 기둥 구조의 바디, 바디 상부를 덮는 탑 커버 및 하부의 바닥을 구비하는 모듈 케이싱; 및 삼각 기둥 구조를 가지며, 모듈 케이싱 내에 원주방향으로 배열된 6개의 셀을 포함한다.

Description

차량용 배터리 모듈 및 팩{BATTERY MODULE AND PACK FOR VEHICLES}
본 발명은 콤팩트한 셀 배치가 가능하며 충돌 시의 안정성능이 우수한 차량용 배터리 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
전기 차량에 반복적으로 재충전 및 재사용이 가능한 이차 배터리가 사용된다. 기술 고도화에 따라 이차 배터리는 에너지 및 전력 밀도가 높아지고 수명 또한 길어지고 있다. 이차 배터리는 전기차(EV), 하이브리드 전기차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기차(PHEV) 등에 사용된다.
크기 및 형태가 다른 배터리 셀, 예로서 리튬-이온 배터리는 제조된 후 상이한 구성의 팩으로 조립된다. 차량용 이차 배터리 팩은 전형적으로 원하는 전력 및 용량 요구를 충족하기 위해 때때로 수백, 심지어 수천 개의 많은 배터리 셀이 패킹된다.
배터리 팩은 사이드 충돌 등의 충돌 법규 만족을 위하여 좌우 및 언더 사이드 스트럭처를 연결하는 리인포스 부재가 보강된다. 이로 인해 종래 배터리 팩은 배터리 적층 공간이 협소하며 무게가 많이 나가게 된다. 이 문제는 결국 주행거리의 감소를 야기한다.
한편 배터리 팩은 리크 방지 및 항온 유지 기능이 필수적이다. 보다 많은 배터리의 적재, 충돌 안정성을 포함해서 요구되는 여러 성능과 기능을 만족시킬 수 있는 새로운 배터리 모듈 및 배터리 팩의 구조가 필요하다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 충돌 안정성능이 우수한 차량용 배터리 모듈 및 팩을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 배터리를 밀집 적재할 수 있는 차량용 배터리 모듈 및 팩을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 항온 유지 기능이 우수한 차량용 배터리 모듈 및 팩을 제공하고자 한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.
위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은 육각 기둥 구조의 바디, 바디 상부를 덮는 탑 커버 및 하부의 바닥을 구비하는 모듈 케이싱; 및 삼각 기둥 구조를 가지며, 모듈 케이싱 내에 원주방향으로 배열된 6개의 셀을 포함한다.
실시예에 의하면 상기 셀들의 모서리들이 서로 마주하는 모듈 케이싱 중앙에 길이방향으로 메인 유로가 마련되며, 인접하는 셀들의 사이 및 셀들과 모듈 케이싱 사이에 메인 유로와 연결된 서브 유로가 마련된다.
실시예에 의하면 인접한 셀들 간의 사이 및/또는 모듈 케이싱과 셀들 간의 사이에는 스페이서가 개재될 수 있다.
실시예에 의하면 상기 메인 유로와 연결되도록 탑 커버와 바닥에 각각 관통홀이 마련되며, 이 관통홀들을 통해 차량으로부터 항온용 유체가 모듈 케이싱 내부로 공급된 후 다시 차량으로 순환될 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 팩 케이싱; 팩 케이싱 내에 설치되며, 육각의 단위 셀이 배열된 벌집 구조의 파티션; 및 배터리 모듈은 파티션의 각 단위 셀에 안착된 배터리 모듈을 포함한다.
실시예에 의하면 배터리 팩은 팩 케이싱과 파티션 사이의 갭을 메우기 위한 보강부재를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 차량용 배터리 모듈 및 팩은 충돌 안정성능이 우수하다.
또한 본 발명에 따른 차량용 배터리 모듈 및 팩은 배터리를 밀집 적재할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 차량용 배터리 모듈 및 팩은 항온 유지 기능이 우수하다.
도 1은 실시예에 따른 배터리 모듈을 보인 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 모듈의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 모듈의 저면도이다.
도 4는 도 2의 모듈에서 탑 커버가 제거된 것을 보인 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 셀들 간의 이격을 위한 스페이서를 보인 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 배터리 팩을 보인 도면이다.
이하 본 발명의 여러 특징적인 측면을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 상세히 살펴보기로 한다. 첨부된 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징에 대한 명확한 이해와 설명을 위해 과장되게 그리고 개략적으로 도시될 수 있다.
본 문서에서, 별도 한정이 없는 한, 제2 요소가 제1 요소 '상'에 배치되거나 두 요소가 서로 '연결'된다고 하는 것은, 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재된 것을 허용하는 의미로 이해될 필요가 있다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표현은 설명의 편의를 위한 것이라는 점도 이해될 필요가 있다.
도 1 내지 도 5에는 실시예에 따른 배터리 모듈(10)이 도시되어 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면 배터리 모듈(10)은 정육각형의 단면 구조를 갖는 모듈 케이싱과 그 내부에 패킹된 6개의 셀(20)을 포함한다. 도 1 내지 도 3에서 모듈 케이싱 내의 셀들(20)은 실제로는 외부에서 보이지 않을 것이나, 직관적인 이해를 위해 셀들(20)이 가는 선으로 도시되어 있다.
모듈 케이싱은 바디(11), 바디(11) 상부를 덮는 탑 커버(12) 및 하부의 바닥(13)을 구비한다.
도 1에서 보듯이 바디(11)는 육각 기둥 구조를 갖는다.
도 1 및 도 2에서 보듯이 탑 커버(12)는 바디(11) 상부를 밀폐하며, 가장자리를 따라서 형성된 체결홀(18b)을 이용하여 패스너로 바디(11)와 견고하게 결합된다. 탑 커버(12)의 중앙에는 모듈 케이싱으로부터의 항온 유체 배출을 위한 출구(14b)가 마련되며, 이 출구(14b) 주변에 하네스 연결홀(17)이 마련된다.
도 1 및 도 3에서 보듯이 바닥(13)은 바디(11) 하부를 밀폐하며, 가장자리를 따라서 형성된 체결홀(18a)을 이용하여 패스너로 바디(11)와 견고하게 결합된다. 바닥(13)의 중앙에는 모듈 케이싱 내부로 항온 유체를 공급하기 위한 입구(14a)가 마련된다.
항온 유체는 셀들(20)의 온도를 일정 범위 이내로 유지하기 위한 것으로, 차량과 모듈 케이싱 간을 순환한다. 차량 공조장치에 사용되는 냉매가 항온 유체로 사용될 수 있다.
도 1 및 도 4에서 보듯이 셀(20)은 삼각 기둥 구조를 가지며, 모듈 케이싱 내에 원주방향으로 배열된다. 셀들(20)의 모서리들이 서로 마주하는 모듈 케이싱 중앙에 길이방향으로 메인 유로(14)가 마련된다. 인접하는 셀들(20)의 사이 및 셀들(20)과 모듈 케이싱 사이에 메인 유로(14)와 연결된 서브 유로(15,16)가 마련된다.
도 5를 참조하면 메인 유로(14)나 서브 유로(15,16)는 별도 구조물을 이용하여 구성되지 않고, 셀(20)의 형상이나 셀들(20) 간의 갭을 이용하여 마련된다. 메인 유로(14)에서 서로 마주하는 셀들(20)의 모서리들 각각에는 모따기 형상(21)이 마련되며, 이 모따기 형상(21)이 메인 유로(14)를 구성한다. 원주방향으로 서로 인접해 있는 셀들(20)의 측면들(22) 간에 갭이 마련되며, 바디(11)와 이와 마주하는 셀(20) 후면(23) 사이에도 갭이 마련된다. 이 갭들은 서브 유로(15,16)를 구성한다.
도 4에서 보듯이 바닥(13)의 입구(14a)를 통해 모듈 케이싱 내부로 유입된 항온 유체는 메인 유로(14)를 따라 흐르다가 서브 유로(15,16)로 분기되어 셀들(20) 사이 및 모듈 케이싱 내부를 전체적으로 흐르며, 셀들(20)의 온도가 일정 범위 이내에서 유지될 수 있도록 한다.
도 5를 참조하면 원주방향으로 서로 인접한 셀들(20) 사이에 서브 유로(15)가 마련될 수 있도록 스페이서(30)가 배치될 수 있다. 스페이서(30)의 형태나 형상은 다양할 수 있으며, 모듈 케이싱의 바디(11)와 셀(20)의 후면(22) 사이에도 서브 유로(16)가 마련되도록 스페이서가 배치될 수 있다.
도 1 및 도 6을 참조하면 모듈 케이싱 내에 배치된 6개의 셀(20)은 전기적으로 서로 연결되어, 탑 커버(12)에 마련된 하네스 연결홀(17)을 통해 배터리 팩(40)의 하네스(51)와 연결된다.
도 6에서 보듯이 배터리 팩(40)은 팩 케이싱(41)과 팩 케이싱 내에 설치된 벌집 구조의 파티션(42)을 구비한다.
팩 케이싱(41)은 가장자리를 따라 마련된 고정홀(45)을 이용하여 차량에 패스너로 견고하게 고정된다. 팩 케이싱(41) 상부는 커버(미도시)로 밀폐될 수 있다.
파티션(42)은 육각의 단위 셀이 전후좌우로 배열된 벌집 구조를 갖는다. 파티션(42)의 각 단위 셀에 배터리 모듈(10)이 안착된다.
파티션(42)이 벌집 구조를 갖기에 파티션(42)과 팩 케이싱(41) 사이에 빈공간이 남을 수 있다. 이 빈공간의 형상에 부합하는 형상을 갖는 보강부재(43,44)가 개재된다. 보강부재는 알루미늄의 압출에 의해 제작될 수 있으며, 팩 케이싱(41)의 강성을 보강한다.
팩 케이싱(41) 내에 배터리 모듈(10)이 벌집 구조로 팩킹될 뿐만 아니라 벌집 구조의 파티션(42)이 있음으로 인해, 배터리 팩(40)은 측방향으로 가해지는 충격에 대한 지지 강성이 매우 강하다. 또한 배터리 모듈(10) 내에 셀들(20)이 밀집 패킹되므로 셀들(20)의 적재량이 증가한다.
셀들(20)은 탑 커버(12)에 마련된 하네스 연결홀(17)을 통해 배터리 팩(40)의 하네스(51)와 연결된다. 하네스(51)와 배터리 모듈(10) 간의 연결지점이 도면부호 51a로 표시되어 있다. 하네스(51)는 팩 케이싱(41)의 길이방향으로 연장된다. 배터리 팩(40) 내에 배터리 모듈(10)이 5개의 열로 배열되어 있다면, 하네스(51)는 5개의 열을 각각 길이방향으로 연결한다.
하네스(51)는 전력 및 신호의 전달을 위한 전선 및 항온 유체의 순환을 위한 냉매 호스를 포함하는 다발로 구성될 수 있다. 하네스(51)의 전선은 중간에 터미널(52)을 거쳐 배터리 관리시스템(BMS, 50)에 연결된다.
이상 본 발명의 실시예들이 설명되었다. 이들 실시예들에서 설명된 특징 요소들은 선택적으로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 새로운 실시예들이 구성될 수 있다. 이렇게 새로이 구성된 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속한다. 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 구현될 수 있다.
10: 배터리 모듈 11: 모듈 케이싱
12: 탑 커버 13: 바닥
14: 메인 유로 14a: 관통홀(입구)
14b: 관통홀(출구) 15,16: 서브 유로
20: 셀 30: 스페이서
40: 배터리 팩 41: 팩 케이싱
42: 파티션 43,44: 보강부재
50: BMS 51: 하네스

Claims (4)

  1. 팩 케이싱;
    상기 팩 케이싱 내에 설치되며, 육각의 단위 셀이 벌집 구조로 배열된 구조의 파티션;
    상기 파티션의 각 단위 셀에 안착된 배터리 모듈을 포함하며,
    상기 배터리 모듈은,
    육각 기둥 구조의 바디, 바디 상부를 덮는 탑 커버 및 하부의 바닥을 구비하는 모듈 케이싱; 및 삼각 기둥 구조를 가지며, 모듈 케이싱 내에 원주방향으로 배열된 6개의 셀을 포함하고,
    상기 6개의 셀들 각각은 원주방향으로 서로 인접한 셀들 간에 서로 마주하게 배치된 측면들과, 바디와 마주하는 후면을 구비하며,
    상기 모듈 케이싱 중앙에서 서로 마주하는 6개의 셀들의 각 모서리가 모따기되며, 이 모따기된 모서리들에 의해 모듈 케이싱 중앙에 모듈 케이싱의 길이방향으로 연장되는 메인 유로가 구성되고,
    상기 서로 인접하는 셀들의 측면들 사이, 및 셀들의 후면들과 바디 사이에 각각에 서브 유로를 규정하는 갭들이 마련되고, 이 갭들에는 스페이서가 개재되며,
    상기 서브 유로는 메인 유로와 연결되어 메인 유로로 유입된 항온용 유체가 서브 유로로 분기되어 셀들 사이를 흐를 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 팩 케이싱과 파티션 사이의 빈공간에는 팩 케이싱의 강성을 보강할 수 있도록 해당 빈공간에 부합하는 형상을 갖는 보강부재가 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 메인 유로와 연결되도록 탑 커버와 바닥에 각각 관통홀이 마련되며, 이 관통홀들을 통해 차량으로부터 항온용 유체가 모듈 케이싱 내부로 공급된 후 다시 차량으로 순환될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩.
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