KR20090002428A - 효율적인 냉각 및 배기 구조의 중대형 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 내장되어 있고 냉매가 관통할 수 있는 구조의 전지모듈 다수 개로 이루어진 모듈 어셈블리, 상기 모듈 어셈블리의 외면에 장착되는 팩 하우징, 및 상기 전지모듈로부터 발생한 가스를 포집하여 소정의 부위로 배출하도록 모듈 어셈블리 상에 장착되는 가스 배출부재를 포함하고 있으며, 전지모듈의 냉각을 위한 냉매의 유로('냉매 유로')와 전지모듈로부터 발생한 가스의 배출을 위한 유로('가스 유로')가 서로 분리되어 있는 구조의 중대형 전지팩을 제공한다.

Description

효율적인 냉각 및 배기 구조의 중대형 전지팩 {Middle or Large-sized Battery Pack with Having Efficient Cooling and Exhausting Structure}
도 1은 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도이다;
도 2는 단위모듈의 구성을 위해 도 1의 전지셀 2 개가 장착될 셀 커버의 사시도이다;
도 3은 다수의 단위모듈들이 연결된 단위모듈 적층체의 사시도이다;
도 4는 도 3의 단위모듈 적층체가 전지모듈 케이스에 장착된 구조 모식도이다;
도 5는 전지모듈에서 하부 케이스에 단위모듈들이 장착된 상태에서의 전면부를 나타내는 부분 평면도이다;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 팩 하우징에 장착된 중대형 전지팩의 사시도이다;
도 7 및 도 8은 각각 중대형 전지팩의 사시도 및 그것의 분해 사시도이다.
본 발명은 효율적인 냉각 및 배기 구조를 가지는 중대형 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 모듈 어셈블리, 팩 하우징, 및 상기 전지모듈로부터 발생한 가스를 포집하여 소정의 부위로 배출하도록 모듈 어셈블리 상에 장착되는 가스 배출부재를 포함하고 있으며, 전지모듈의 냉각을 위한 냉매의 유로('냉매 유로')와 전지모듈로부터 발생한 가스의 배출을 위한 유로('가스 유로')가 서로 분리되어 있는 구조로 이루어진 중대형 전지팩에 관한 것이다.
최근, 환경오염에 대한 관심이 높아지고 있음에 따라, 가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 기존 차량의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 모으고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 시판되고 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 금속수소(Ni-MH) 이차전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 에너지 밀도가 높고 방전 전압이 큰 리튬 이차전지 등의 사용이 시도되고 있다. 이러한 이차전지가 EV, HEV 등의 동력원으로 사용되기 위해서는 고출력 대용량이 필요하므로, 다수의 소형 이차전지(단위전지)들을 직렬로 연결하여 하나의 전지팩으로 구성하고 있다.
이러한 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열이 발생하며, 충방전 과정에서 발생한 전지셀의 열이 효율적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지셀의 열화를 초래한다. 더욱이, 전지셀의 과열은 안전성 측면에서도 매우 심 각할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지팩에는 전지팩의 최적 작동 조건을 달성하고 안전성을 향상시키는 냉각 시스템이 필수적으로 필요하게 된다.
이러한 냉각 시스템은 주로 냉매를 전지팩의 내부로 강제 순환시켜 전지셀로부터 열을 제거하는 방식, 즉, 전지팩을 구성하는 전지셀 또는 단위모듈의 표면에 대한 냉매의 접촉식 냉각 방식을 취하고 있다. 냉매로는 주로 공기와 같은 기체가 사용되므로, 전체적으로 접촉식 공냉 냉각 방식으로 이루어져 있다.
그러나, 전지팩의 냉각 시스템은 전지팩을 구성하는 개개의 단위전지들로 용매가 고르게 효율적으로 도달할 수 있도록 구성되어야 하므로, 냉각 효율을 높일 수 있는 다수의 부재를 사용하여 전지팩을 제조하는 경우, 전지팩의 크기와 제조비용의 증가를 유발하는 주요 요인이 된다. 반면에, 크기가 큰 전지 시스템은 EV, HEV 등과 같이 한정된 탑재 공간에 적용되기가 용이하지 않으므로, 더욱 콤팩트하면서 높은 냉각 효율을 제공할 수 있는 냉각 시스템에 대한 필요성이 높은 실정이다.
또한, 고온의 환경에 노출되거나 또는 오작동 등에 의하여 전지셀에서 내부 단락이 발생하면, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고 그로 인해 가스가 다량 발생하여 결국 내압의 증가로 전지케이스가 파열되어 전지셀 외부로 배출된다. 일반적으로 이러한 내부 가스는 일산화탄소 등과 같은 인체에 해로운 유독 성분을 포함하고 있으며, 전지셀로부터 배출된 가스와 전지팩 내부에 흐르는 냉매가 혼합되면 냉각 효율이 떨어짐과 동시에, 안전성에 관한 문제가 유발된다. 예를 들어, 차량의 경우, 전지셀에서 발생한 내부 가스가 냉매의 순환 과정에서 탑 승 공간으로 유입되어 인체에 해를 초래할 수도 있다.
따라서, 콤팩트한 구조를 가지고, 냉각 효율이 우수하며, 단위전지에서 발생하는 가스와 냉매 유로를 따라 흐르는 냉매가 서로 혼합되는 것을 방지하는 구조로 이루어진 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지모듈에서 발생하는 가스와 냉매 유로를 따라 흐르는 냉매가 서로 혼합되는 것을 차단함으로써 수명과 안전성이 향상된 중대형 전지팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적은 수의 부재를 사용하여 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착할 수 있는 콤팩트한 최적의 배치구조를 가지고, 조립이 용이하며, 냉각 효율이 우수한 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 내장되어 있고 냉매가 관통할 수 있는 구조의 전지모듈 다수 개로 이루어진 모듈 어셈블리, 상기 모듈 어셈블리의 외면에 장착되는 팩 하우징, 및 상기 전지모듈로부터 발생한 가스를 포집하여 소정의 부위로 배출하도록 모듈 어셈블리 상에 장착되는 가스 배출부재를 포함하고 있으며, 전지모듈의 냉각을 위한 냉매의 유로('냉매 유로')와 전지모듈로부터 발생한 가스의 배출을 위한 유로('가스 유로')가 서로 분리되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 가스 배출부재에 의해 냉매 유로와 가스 유로가 분리된 구조로 이루어져 있으므로, 전지모듈에서 발생하는 가스와 냉매 유로를 따라 흐르는 냉매가 서로 혼합되는 것을 방지할 수 있게 되어 전지의 수명을 연장하고 안전성을 담보할 수 있다. 이러한 가스 배출부재는 모듈 어셈블리 상에 전지모듈로부터 발생하는 가스를 포집 및 배출하는 역할을 하므로, 전지셀의 오작동, 외부 환경의 변화 등과 같은 이상 발생시 생성되는 내부 가스를 효율적으로 포집하여 전지팩 외부의 소망하는 부위로 배출시킬 수 있다.
상기 모듈 어셈블리는 하나 또는 둘 이상의 전지모듈들이 측면방향으로 상호 접하면서 배열되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성될 수 있도록, 다수의 전지모듈들이 수직으로 배열되어 팩 하우징 내에 장착되는 구조를 가진다.
상기 모듈 어셈블리의 외면에 장착되는 팩 하우징은 외부로부터 모듈 어셈블리를 밀폐시키며, 상단 또는 하단 일측에 냉매 유입구가 형성되어 있고, 그 대향 측에 냉매 배출구가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 팩 하우징은 그것의 내부에 모듈 어셈블리를 장착하고, 냉매 배출구 외 다른 부위로 냉매가 유출되는 것을 방지하도록 밀폐된 구조로 이루어져 있으며, 상기 냉매의 배출구는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 단위모듈들을 관통한 후 배 출될 수 있도록, 상기 냉매 유입구가 형성되어 있는 대향측에 형성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 냉매 유입구는 팩 하우징의 상단 모서리 부근의 측면에 일련의 관통구 형태로 형성되어 있고, 상기 냉매 배출구는 팩 하우징의 하단 일측 또는 양측에 형성되어 있을 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 냉매 유입구가 팩 하우징의 좌측면 상단에 형성되어 있을 경우, 상기 냉매 배출구는 팩 하우징의 우측면 하단 또는 우측면에 평행한 양측 하단에 형성되어 있을 수 있다.
상기 냉매 배출구에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 신속하고 원활하게 냉매 배출구로 이동하여 전지팩 외부로 배출될 수 있도록, 바람직하게는, 흡입 팬이 추가로 장착될 수 있다. 이러한 구조에서, 흡입 팬에 의해 발생한 냉매의 유동 구동력에 의해, 좁은 유입구를 통해 유입된 냉매는 빠른 유속으로 유입구에서 멀리 떨어진 전지셀까지 충분히 도달하여, 냉매의 유량이 동일한 조건에서 상대적으로 균일한 유량 분배 효과를 발휘한다.
한편, 전지셀이 고온의 환경에 노출되거나 또는 오작동 등에 의해 내부 단락이 일어나게 되면, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고 그로 인해 가스가 다량 발생하여 결국 내압의 증가로 전지셀 케이스가 파열된다. 이를 제어하기 위해 파우치형 전지셀에서는 일반적으로 가스의 배출을 특정한 방향으로 유도할 수 있도록 상대적으로 밀봉이 취약한 벤트 부위를 형성하여, 셀 케이스 내부의 압력이 기준치 이상일 때 벤트 부위의 밀봉이 해제되면서 이 부분으로 내부 가스를 셀 케이스 외부로 배출시키는 구조로 이루어져 있다.
또한, 일반적으로 이러한 내부 가스는 일산화탄소 등과 같은 인체에 해로운 성분을 포함하고 있으므로, 전지모듈 또는 모듈 어셈블리를 냉각시키는 냉매와는 별도의 통로를 이용하여 외부로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 하나의 바람직한 예로서, 상기 냉매 유로는 냉매가 모듈 어셈블리의 후면 상부로부터 유입되어 모듈 어셈블리를 수직으로 관통한 후 전면 하부로 배출되는 구조로 형성되어 있고, 상기 가스 유로는 냉매 유로와 분리된 상태에서 가스가 모듈 어셈블리의 전면 상단부 및 상단 전방부와 후면 상단부로부터 각각 포집되어 가스 배출부재의 덕트를 따라 소정의 부위로 배출되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 전지모듈은 하나 또는 둘 이상의 단위모듈을 순차적으로 적층하여 모듈 케이스에 장착한 구조로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 다수의 단위모듈들이 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 상기 냉매 유로에 대응하는 위치에 관통구들이 천공되어 있는 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 상단면 또는 하단면의 관통구로부터 유입된 냉매가 단위모듈들 사이에 형성된 수직의 냉매 유로를 따라서 하단면 또는 상단면의 관통구로 배출되는 구조를 가진다.
한편, 상기 전지모듈에서 전면 상단부, 상단면 전방부, 및 후면 상단부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 부위에는 전지셀로부터 발생하는 가스의 배출을 위한 가스 배기구들이 천공되어 있는 구조로 형성되어 있어서, 전지셀 또는 단위모듈의 벤트 부위와 연통된 구조의 가스 배기구들에 의해 소망하는 일정한 방향으로 가스의 배출을 유도할 수 있다.
이 경우, 상기 가스 배출부재는 모듈 어셈블리의 전면 상단부 및 상단면 전 방부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 전면 포집부, 모듈 어셈블리의 후면 상단부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 후면 포집부, 상기 전면 포집부와 후면 포집부를 연통시키는 상부 덕트, 및 상기 전면 포집부, 후면 포집부 또는 상부 덕트에 연통되어 있는 배출부를 포함하는 구조일 수 있다.
구체적으로는, 전면 포집부와 후면 포집부에서 각각 포집된 전지모듈의 내부가스는 가스 배출부재의 상부 덕트를 따라 배출부가 인접한 포집부(e.g., 전면 포집부)로 모이게 되고, 배출부를 통과하여 소정의 부위로 배출된다. 따라서, 전지셀 또는 전지모듈에서 배출된 내부가스를 냉매와 분리하여 소정의 부위로 배출할 수 있으므로, 전지팩이 사용되는 환경에서 유해 가스로 인한 문제점을 해결할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 가스 배출부재의 전면 포집부는 모듈 어셈블리의 상단면 전방부와 팩 하우징의 대응 부위 사이를 밀폐시킬 수 있도록 팩 하우징의 내면에 밀착되는 높이로 이루어져 있을 수 있다. 따라서, 상기 모듈 어셈블리의 후면 상부로부터 유입되는 냉매가 모듈 어셈블리의 상단면을 따라 전면으로 직접 배출되는 것을 방지하고 모듈 어셈블리의 전지모듈을 수직으로 관통하도록 유도함으로써, 효과적인 냉각 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 전지셀로부터 발생한 가스가 전지모듈의 전면과 후면을 통해서만 배출될 수 있도록, 상기 전지모듈은 다수의 전지셀들을 셀 커버가 감싸고 있는 단위모듈들로 이루어져 있고, 상기 단위모듈과 모듈 케이스의 사이에는 냉매 유로와 가스 유로를 분리하기 위한 밀폐부재가 장착되는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적인 예에서, 전지모듈은 단위모듈들을 상하 분리형의 케이스에 조립식 체결구조로 수직으로 장착한 구조로 이루어져 있다. 상부 모듈 케이스 및 하부 모듈 케이스 내면에는 단위모듈의 외주면이 삽입되기 위한 다수의 장착홈이 형성되어 있고, 단위모듈의 셀 커버 좌우 양단에 인접한 외면에는 모듈 케이스에 대한 단위모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 소정 크기의 단차가 형성되어 있다. 따라서, 단위모듈의 외주면 부근에 형성된 단차가 상하부 케이스의 내면 장착홈에 삽입되어 고정됨으로써, 단위모듈의 외주면만이 모듈 케이스에 고정됨에도 불구하고, 매우 안정적인 결합 구조를 형성한다.
이러한 구조에서, 모듈 케이스에 장착되는 단위모듈의 양 단부 또는 그것에 인접한 부위에 밀폐부재를 위치시켜, 단위모듈의 측면 사이의 이격된 공간으로부터 단위모듈의 양 단부 부위를 밀폐시킨다. 따라서, 전지셀로부터 발생하는 가스가 배출되는 단위모듈의 양 단부와, 냉매의 유로가 형성된 단위모듈의 측면 사이의 이격된 공간은 서로 격리된다. 즉, 단위모듈의 전지셀로부터 배출된 가스와 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 서로 혼합되는 것을 방지하는 구조가 이루어진다.
본 발명의 전지팩은, 바람직하게는, 상기 모듈 어셈블리의 양 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들, 상기 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들, 및 상기 모듈 어셈블리의 상단방향에서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결부재를 추가로 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
즉, 종 방향 및/또는 횡 방향으로 전지셀 또는 전지모듈 다수 개가 적층되어 모듈 어셈블리를 이루고 있고, 이러한 모듈 어셈블리의 양 측면(구체적으로, 최외측에 위치한 전지셀 또는 전지모듈의 외면)을 측면 지지부재들로 감싸고, 측면 지지부재들에 연결되어 있는 하단 지지부재들 및 상단 연결부재에 의해 고정하는 구조로 이루어져 있어서, 전체적으로 조립 과정이 간소하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가진다.
특히, 상기 하단 지지부재들은 모듈 어셈블리의 양측면을 감싸고 있는 측면 지지부재들을 상호 연결하는 역할을 수행함과 동시에 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 지지하는 역할을 한다. 즉, 한 개의 부재가 두 가지 역할을 동시에 수행함으로써, 전지팩을 제조하는 데 소요되는 부품 수와 전지팩의 제조 공정수를 줄일 수 있으므로, 궁극적으로 중대형 전지팩의 제조 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한, 모듈 어셈블리의 저면 전체를 지지하지 않고도 효과적으로 중대형 전지팩의 구조를 형성할 수 있으므로, 중량을 크게 줄일 수 있다.
이러한 전지팩 구조에서, 상기 측면 지지부재는 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체와, 모듈 어셈블리의 양측 하단을 지지하는 하단 프레임으로 이루어질 수 있다. 상기 판상 본체의 상단은 팩 하우징의 내면에 밀착되어 있어서, 모듈 어셈블리의 후면 상부로부터 유입되는 냉매가 모듈 어셈블리의 양 측면으로 배출되지 않고 모듈 어셈블리를 수직으로 관통하도록 유도함으로써, 효율적인 냉각 구조를 제공하며, 상기 하단 프레임은 모듈 어셈블리의 양측 하단을 지지함으로써 모듈 어셈블리를 고정시키는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 팩 하우징의 양측 하단에는 내측 방향으로 소정 높이의 프레임이 형성되어 있고, 모듈 어셈블리에 장착되는 상기 하단 지지부재는 팩 하우징의 상기 프레임 상에 탑재되는 구조로 이루어진다. 예를 들어, 모듈 어셈블리의 전면 및 후면 하단 모서리를 'L'자 형태의 하단 지지부재로 감싸면서 부착한 후, 하단 지지부재를 팩 하우징의 프레임 상에 탑재하여 기계적 결합에 의해 고정시키는 구조로 이루어질 수 있다. 하단 지지부재가 팩 하우징의 프레임 상에 탑재되는 구조에 의해, 모듈 어셈블리는 바닥면과 소정의 간격으로 이격되며, 이러한 모듈 어셈블리 하부에 형성된 이격 공간은, 앞서 설명한 바와 같이, 모듈 어셈블리의 냉각을 위한 냉매의 유동 공간으로 사용되는 구조로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩의 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지이면 특별히 제한되지는 않으며, 바람직하게는 니켈-수소 이차전지 또는 리튬 이차전지일 수 있다.
상기 '니켈-수소 이차전지'는 양극에 니켈, 음극에 수소흡장합금, 전해질로 알카리 수용액을 사용한 이차전지로서 단위부피당 에너지 밀도가 에 비해 2배에 가까우며, 니켈-카드뮴전지보다 고용량화가 가능하고 및 에 잘 견딜 수 있으며, 단위부피당 용량이 크므로, 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 에너지원으로 바람직할 수 있다.
또한, 상기 '리튬 이차전지'는, 예를 들어, 양극 활물질로 LiCoO2 등의 금속 산화물과 음극 활물질로 탄소 재료 등을 사용하며, 음극과 양극 사이에 다공성 고분자 분리막을 위치시키고, LiPF6 등의 리튬염을 함유한 비수성 전해액을 넣어서 제 조하게 된다. 충전시에는 양극 활물질의 리튬 이온이 방출되어 음극의 탄소 층으로 삽입이 되고, 방전시에는 반대로 탄소 층의 리튬 이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입이 되며, 비수성 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬 이온이 이동하는 매질의 역할을 하며, 에너지 밀도와 작동 전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하기 때문에, 다양한 전자제품, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차의 에너지원으로 바람직할 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 적층되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양 단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 '파우치형 전지셀'로 칭하기도 한다.
상기 단위모듈은 다수의 전지셀들이 전기적으로 연결된 소단위의 전지모듈로서, 예를 들어, 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있고, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들; 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 이러한 전지모듈의 구체적인 예로는, 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-0045444호를 들 수 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
본 발명에 따른 전지팩은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지며, 많은 수의 부재들을 사용하지 않고도 구조적으로 안정한 기계적 체결과 전기적 접속을 이룰 수 있다. 또한, 소정의 단위들, 예를 들어, 4개, 6개, 8개, 10개, 12개 등의 전지모듈로 전지팩을 구성함으로써, 전지모듈을 필요한 수만큼 한정된 공간 내에 효과적으로 장착할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 전지모듈들을 조합하여 제조될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같은 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있지만, 적용 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
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 종래의 대표적인 파우치형 전지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 파우치형 전지(100)는 두 개의 전극리드(110, 120)가 서로 대향하여 전지 본체(130)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(140)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양측면(140a)과 상단부 및 하단부(140b, 140c)를 부착시킴으로써 전지(100)가 만들 어진다. 외장부재(140)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양측면(140a)과 상단부 및 하단부(140b, 140c)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양측면(140a)은 상하 외장부재(140)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(140b)와 하단부(140c)에는 전극리드(110, 120)가 돌출되어 있으므로 전극리드(110, 120)의 두께 및 외장부재(140) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(110, 120)와의 사이에 필름상의 실링부재(160)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
도 2에는 단위모듈의 구성을 위해 도 1의 전지셀 2 개가 장착될 단위모듈의 셀 커버가 사시도로서 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 셀 커버(210)는 도 1에서와 같은 파우치형 전지셀(100) 2 개를 내장하며 그것의 기계적 강성을 보완할 뿐만 아니라 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 2 개의 전지셀들은 그것의 일측 전극단자들이 직렬로 연결된 후 절곡되어 상호 밀착된 구조로 셀 커버(200) 내부에 장착된다. 자세한 내용은 앞서 설명한 한국 특허출원 제2006-0045444호의 내용을 참조할 수 있다.
셀 커버(210)는 상호 결합 방식의 한 쌍의 부재들(220, 230)로 구성되어 있으며, 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 셀 커버(210)의 좌우 양단에 인접한 외면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(240)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(250)가 형성되어 있다. 또한, 셀 커버(210)의 상단과 하단에는 폭방향으로 고정부(260)가 형성되어 있어서, 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 한다.
셀 커버(210)의 외면에는 길이 방향으로 서로 이격되어 있는 다수의 선형 돌출부(270)가 형성되어 있으며, 가운데 형성되어 있는 돌출부(271)에는 써미스터(도시하지 않음)의 장착을 위한 만입부(272)가 형성되어 있다. 또한, 선형 돌출부들(270) 중에서 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(273, 274)가 각각 형성되어 있다.
도 3에는 다수의 단위모듈들이 연결된 단위모듈 적층체의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 단위모듈 적층체가 전지모듈 케이스에 장착된 구조가 도시되어 있다.
우선 도 3을 참조하면, 단위모듈 적층체(300)는 4 개의 단위모듈들(200, 201, 202, 203)로 이루어지고, 각 단위모듈(200) 당 2 개의 전지셀들(도시하지 않음)이 내장되어 있으므로, 전체적으로 총 8 개의 전지셀들이 포함되어 있다. 전지셀 상호간 및 단위모듈 상호간의 전극단자 결합은 직렬 방식이며, 이러한 전극단자 연결부(310)는 모듈 어셈블리의 구성을 위해 단면상으로 'ㄷ' 자 형태로 절곡되어 있고, 그 중 최외각에 있는 단위모듈들(200, 201)의 외측 전극단자(320, 321)는 다른 전극단자 연결부(310)보다 조금 돌출된 상태에서 안쪽을 향해 단면상으로 'ㄱ' 자 형태로 절곡되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지모듈(400)은 상부 케이스(410) 및 하부 케이스(420)로 구성된 모듈 케이스에 단위모듈 적층체(도 3: 300)를 수직으로 장착한 구조로 이루어져 있다. 상부 케이스(400)는 도 3에서와 같은 단위모듈 적층체(300)의 일측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸는 구조로 이루어져 있으며, 그것의 상면에는 다수의 냉매 유입구(412)가 형성되어 있다. 하부 케이스(420)는 전지모듈 적층체(300)의 타측면 단부와 상단 및 하단 일부를 감싸면서 상부 케이스(410)에 결합되는 구조로 이루어져 있고, 전면부에 단위모듈 적층체(300)의 전극단자와 연결된 외부 입출력 단자(422)가 위치하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 상하부 케이스들(410, 420)은 상호 조립된 상태에서 내장되어 있는 단위모듈 적층체(300)의 용이한 방열을 위해 적층체(300)의 외주면 만을 감싸고 그것의 외면이 상당 부분 외부로 노출되는 구조로 이루어져 있다. 또한, 전지셀의 오작동 등으로 벤트 부위를 통해 가스가 배출될 때 모듈 케이스의 전면 상단부, 상단면 전방부, 및 후면 상단부에 형성된 가스 배출구(424)를 통하여 전지모듈(400) 외부로 가스가 배출되는 구조로 이루어져 있다.
도 5에는 전지모듈에서 하부 케이스에 단위모듈들이 장착된 상태에서의 전면부를 나타내는 부분 평면도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 하부 케이스(420) 전면부의 내면에는, 단위모듈들(300) 상호간의 전극단자 연결부(310)와, 단위모듈(300)에 내장되어 있는 전지셀들 상호간의 전극단자 연결부(도시하지 않음)가 삽입되어 장착되는 다수의 고정용 홈들(425)이 형성되어 있다. 이러한 고정용 홈들(425)은 대략 전극단자 연결부(310)에 대응하는 형태로 형성되어 있어서, 전지셀 적층체(300)의 전면 및 후면방향으로의 이 동(유동)을 방지하고 상호 인접한 전극단자 연결부(310)와의 안정적인 절연상태를 유지시켜 준다. 구체적으로, 고정용 홈(425)에는, 단위모듈들(300)의 더욱 안정적인 고정과 절연상태를 제공할 수 있도록, 셀 커버 유동 방지용 턱(426), 셀 커버 고정용 가이드(427), 전극단자 격리용 벽(428) 등이 형성되어 있다.
단위모듈(300)의 측면 단부 부위와 인접한 단위모듈(300)의 측면 단부 부위 사이에는 밀폐부재(440)가 위치하여 냉매가 흐르는 단위모듈(300)의 측면 사이의 이격된 공간(442)으로부터 단위모듈(300)의 단부 부위를 격리시킨다. 따라서, 단위모듈의 단부에서 가스가 배출되더라도 냉매 유로를 흐르는 냉매와 배출된 가스가 서로 혼합되는 것을 방지하는 구조로 이루어져 있다. 단위모듈(300)의 단차와 하부 케이스(도 4: 420)가 결합된 부위의 소정의 이격된 공간은 가스 배출구와 연통되며, 단위모듈의 단부에 형성된 벤트 부위에서 배출된 가스는 가스 배출구를 통하여 외부로 배출되는 구조로 이루어져 있다.
또한, 하부 케이스(420)의 전면부 하단에는 외부 장치(도시하지 않음)에 고정할 수 있도록, 중앙에 관통구(432)가 형성되어 있고 하부 케이스(420)로부터 돌출된 형태의 체결부(430)가 형성되어 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 팩 하우징에 장착된 중대형 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 다수의 단위모듈들이 내장되어 있고 냉매가 수직으로 관통할 수 있는 구조의 전지모듈(도 4: 400) 다수 개로 이루어진 모듈 어셈블리(450)가 팩 하우징(600)의 내부에 장착되어 외부로부터 밀폐되고, 모듈 어셈블리(450)의 상 면에는 전지모듈로부터 발생한 가스를 포집하여 소정의 부위로 배출하기 위한 가스 배출부재(540)가 위치하는 구조로 이루어져 있다.
팩 하우징(600)에는 후면 상단 일측에 냉매 유입구(610)가 형성되어 있고, 전면 하단 일측에 냉매 배출구(620)가 형성되어 있으며, 냉매 배출구(620) 외 다른 부위로 냉매가 유출되는 것을 방지하도록 외부로부터 밀폐되어 있다.
모듈 어셈블리(450)는 다수의 전지모듈들(도 4: 400)이 측면방향으로 상호 접하면서 배열되어 있는 구조로 이루어지며, 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성될 수 있도록, 다수의 전지모듈들이 수직으로 배열되어 팩 하우징(600)의 내부에 장착되는 구조를 가진다.
냉매 유입구(610)로 유입된 냉매는 팩 하우징(600)과 모듈 어셈블리(450) 사이를 통과하여 냉매 배출구(620)로 배출되는 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 팩 하우징(600)의 후면 상단 일측에 형성된 냉매 유입구(610)로부터 유입된 냉매는 전지모듈의 상부에 형성된 다수의 관통구(412)를 따라 단위모듈의 전지셀들 사이에 형성된 냉매 유로를 수직으로 통과하여 냉각시킨 뒤, 전지모듈 하부에 형성된 관통구로 배출된 후 모듈 어셈블리(450) 하면과 팩 하우징(600)의 하면 내측 사이로 이동하여 냉매 배출구(620)를 통해 배출된다.
도 7 및 도 8에는 중대형 전지팩의 사시도와 그것의 분해사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 중대형 전지팩(500)은, 다수의 전지모듈들(도 4: 400)이 측면방향으로 상호 접하도록 배열되어 있는 구조의 모듈 어셈블리(450)와, 모듈 어셈블리(450)의 양 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들(510), 모듈 어셈블리(450)의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 측면 지지부재들(510)과 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들(520), 및 모듈 어셈블리(450)의 상단방향에서 측면 지지부재들에 연결되어 있는 3 개의 상단 연결부재들(530)로 이루어져 있고, 측면 지지부재들(510), 하단 지지부재들(520) 및 상단 연결부재들(530)에 의해 모듈 어셈블리(450)가 고정되는 구조로 이루어져 있다.
측면 지지부재(510)는 판상 본체(512)와 하단 프레임(514)으로 이루어지고, 판상 본체(512)는 모듈 어셈블리(450)의 측면에 밀착되며, 하단 프레임(514)은 모듈 어셈블리(450)의 양측 하단을 지지한다.
판상본체(512)에는 뒤틀림, 진동 등과 같은 외력에 대해 우수한 내구성 또는 구조적 안정성을 발휘할 수 있도록 비드(513)가 형성되어 있다. 이러한 비드(513)는 폭 대비 길이가 큰 요철 형상의 구조로 이루어져 있고, 상호 평행한 배열 구조로 형성되어 있다. 또한, 판상 본체(512)의 상단은 팩 하우징의 상면 내측과 밀착되어 있어서, 냉매가 모듈 어셈블리(450)의 양 측면으로 배출되지 않고 모듈 어셈블리(450)를 수직으로 관통하도록 유도한다.
측면 지지부재(510)의 판상 본체(512)와 연결되어 있는 하단 프레임(514)은 모듈 어셈블리(450)의 양측 하단을 지지함으로써 모듈 어셈블리(450)를 견고하게 고정시킨다.
하단 지지부재(520)는 수직 단면상으로 'L'자 형의 형상을 가지고, 모듈 어셈블리(450)의 전면 또는 후면의 하부와 그에 인접한 하단을 동시에 감싸며 고정시 키는 구조로 이루어져 있다. 또한, 하단 지지부재(520)의 양 단부에는, 측면 지지부재(510)의 내면과 밀착되도록 90 도로 절곡되어 있고 그 중앙에 체결용 관통구가 천공되어 있는 결합부(522)가 형성되어 있다. 결합부(522)는 판상 본체(512)의 양측 하단부에 위치한 체결공(516)에 연통되도록 위치한 상태에서 볼트/너트를 이용하여 결합된다. 이러한 결합부(522)는 측면 지지부재(510)의 하단 프레임(514)의 상단면 상에 위치하므로, 하단 프레임(514)의 상단면과 바닥면 사이에 형성된 높이(s)만큼 모듈 어셈블리(450)가 바닥으로부터 이격되고, 이러한 이격된 공간은 냉매가 흐르는 유로로 사용된다.
각각의 지지부재들(510, 520, 530)에 의해 위치가 고정된 모듈 어셈블리(450)상에는 전지셀의 이상 발생시 발생한 내부 가스를 포집하여 소정의 부위로 유도 배출하는 가스 배출부재(540)가 장착되어 있다. 가스 배출부재(540)는 모듈 어셈블리(450)의 전면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구들(도 4: 424) 상에 장착되는 전면 포집부(544), 후면 상부에 형성되어 있는 가스 배출구(도 4: 424) 상에 장착되는 후면 포집부(546), 전면 포집부(544)와 후면 포집부(546)를 상호 연통시키는 상부 덕트(548), 및 상기 전면 포집부(544), 후면 포집부(546) 또는 상부 덕트(548)에 연통되어 있는 배출부(542)로 이루어져 있다.
전면 포집부(544) 또는 후면 포집부(546)를 통하여 포집된 가스는 가스 배출부재(540)의 상부 덕트(548)를 따라 배출부(542)로 배출된다. 따라서, 이상 발생시 전지셀에서 발생한 내부가스를 안전하게 전지팩의 외부 등과 같은 소망하는 부위로 배출할 수 있다.
전면 포집부(544)는 모듈 어셈블리(450)의 상단면 전방부와 팩 하우징(도 5: 600)의 대응 부위 사이를 밀폐시킬 수 있도록, 팩 하우징의 내면에 밀착되는 높이로 이루어져 있다. 따라서, 모듈 어셈블리(450)의 후면 상부로부터 유입되는 냉매가 전면 포집부(544)로 인해 모듈 어셈블리(450)를 수직으로 관통하도록 유도한다.
모듈 어셈블리(450)의 후면에는 전지모듈(400)로부터 돌출된 검출단자(도시하지 않음)와 연결되어 각 전지모듈(400)로부터 전압, 전류 및 온도 등의 작동 정보를 수신하여 처리하는 제어부재(550)가 장착되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은 전지모듈에서 발생하는 가스와 냉매 유로를 따라 흐르는 냉매가 서로 혼합되는 것을 차단함으로써 수명과 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 적은 수의 부재를 사용하여 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착할 수 있는 콤팩트한 최적의 배치구조를 가지고, 효율적인 냉각구조에 의해 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 다수의 전지셀 또는 단위모듈들이 내장되어 있고 냉매가 관통할 수 있는 구조의 전지모듈 다수 개로 이루어진 모듈 어셈블리, 상기 모듈 어셈블리의 외면에 장착되는 팩 하우징, 및 상기 전지모듈로부터 발생한 가스를 포집하여 소정의 부위로 배출하도록 모듈 어셈블리 상에 장착되는 가스 배출부재를 포함하고 있으며, 전지모듈의 냉각을 위한 냉매의 유로('냉매 유로')와 전지모듈로부터 발생한 가스의 배출을 위한 유로('가스 유로')가 서로 분리되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리는 냉매 유로가 수직으로 형성될 수 있도록, 전지모듈 다수 개가 측면방향으로 상호 접하면서 배열되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리의 외면에 장착되는 팩 하우징은 외부로부터 모듈 어셈블리를 밀폐시키며, 상단 또는 하단 일측에 냉매 유입구가 형성되어 있고, 그 대향 측에 냉매 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉매 배출구에는 냉매의 유동 구동력을 제공하는 냉각팬(흡입팬)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유로는 냉매가 모듈 어셈블리의 후면 상부로부터 유입되어 모듈 어셈블리를 수직으로 관통한 후 전면 하부로 배출되는 구조로 형성되어 있고, 상기 가스 유로는 냉매 유로와 분리된 상태에서 가스가 모듈 어셈블리의 전면 상단부 및 상단 전방부와 후면 상단부로부터 각각 포집되어 가스 배출부재의 덕트를 따라 소정의 부위로 배출되는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 상부로부터 하부로 수직의 냉매 유로가 형성되어 있도록, 다수의 단위모듈들이 수직으로 적층되어 있고, 모듈 케이스의 상단면과 하단면에는 관통구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈에서 전면 상단부, 상단면 전방부, 및 후면 상단부로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 부위에는 전지셀로부터 발생하는 가스의 배출을 위한 가스 배출구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 가스 배출부재는 모듈 어셈블리의 전면 상단부 및 상단면 전방부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 전면 포집부, 모듈 어셈블리의 후면 상단부에 형성되어 있는 가스 배출구 상에 장착되는 후면 포집부, 상기 전면 포집부와 후면 포집부를 연통시키는 상부 덕트, 및 상기 전면 포집부, 후면 포집부 또는 상부 덕트에 연통되어 있는 배출부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전면 포집부는 모듈 어셈블리의 상단면 전방부와 팩 하우징의 대응 부위 사이를 밀폐시킬 수 있도록 팩 하우징의 내면에 밀착되는 높이로 이루어져 있어서, 상기 모듈 어셈블리의 후면 상부로부터 유입되는 냉매가 전면 포집부로 인해 모듈 어셈블리를 수직으로 관통하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈은 전지셀로부터 발생한 가스가 전면과 후면을 통해서만 배출될 수 있도록, 다수의 전지셀들을 셀 커버가 감싸고 있는 단위모듈들로 이루어져 있고, 단위모듈과 모듈 케이스의 사이에는 냉매 유로와 가스 유로를 분리하기 위한 밀폐부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 어셈블리의 양 측면을 감싸고 있는 한 쌍의 측면 지지부재들, 상기 모듈 어셈블리의 전면 하단과 후면 하단을 각각 지지하면서 상기 측면 지지부재들에 결합되어 있는 한 쌍의 하단 지지부재들, 및 상기 모듈 어셈블리의 상단방향에서 상기 측면 지지부재들에 연결되어 있는 적어도 하나의 상단 연결부재를 추가로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 측면 지지부재는 모듈 어셈블리의 측면에 밀착되는 판상 본체와, 모듈 어셈블리의 양측 하단을 지지하는 하단 프레임으로 이루어져 있고, 상기 판상 본체의 상단은 팩 하우징의 내면에 밀착되어 있어서, 모듈 어셈블리의 후면 상부로부터 유입되는 냉매가 모듈 어셈블리의 양 측면으로 배출되지 않고 모듈 어셈블리를 수직으로 관통하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  13. 제 11 항에 있어서, 팩 하우징의 양측 하단에는 내측 방향으로 소정 높이의 프레임이 형성되어 있고, 모듈 어셈블리에 장착되는 상기 하단 지지부재는 팩 하우징의 상기 프레임 상에 탑재되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 니켈-수소 이차전지 또는 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 금속층 및 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 전지셀인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있 고 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 전기오토바이, 또는 전기자전거의 동력원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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