KR20120053588A

KR20120053588A - 우수한 냉각 효율성의 전지팩

Info

Publication number: KR20120053588A
Application number: KR20100114777A
Authority: KR
Inventors: 정상윤; 강달모; 윤종문; 정재호; 김민정
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-29
Also published as: CN103329341B; US20130230753A1; EP2642585A4; JP2015149286A; EP2642585A2; CN103329341A; WO2012067363A3; WO2012067363A2; EP2642585B1; JP2014500591A; JP5747996B2; US9184477B2; KR101338275B1

Abstract

전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고, 상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

우수한 냉각 효율성의 전지팩 {Battery Pack of Excellent Cooling Efficiency}

본 발명은 우수한 냉각 효율성의 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고, 상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 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), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In 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 전지팩이 사용된다.

전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 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.

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. 이와 더불어, 소정의 장치 내지 디바이스에 장착되어 사공간(dead space)을 최소화할 수 있도록, 공간 활용에 있어 효율적이어야 한다.

또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.

한편, 다수의 전지셀들로 구성된 전지팩에서, 일부 전지셀의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 전지셀들 간의 냉각 불균일성에 의한 것이므로, 유로의 형상을 최적화하여 냉매의 유동시 온도 편차를 최소화할 수 있는 구조가 요구된다.

따라서, 이러한 복합적인 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 출원의 발명자들은 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 특정한 구조를 가진 전지팩을 개발하게 되었으며, 이러한 전지팩은 냉각 효율성 및 공간 효율성이 높은 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고, 상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.

일반적으로 전지팩에서 냉각 효율의 편차가 발생하는 것은 냉매 유입구 부위의 전지셀 또는 단위모듈과 냉매 유입구에 대향하는 부위의 전지셀 또는 단위모듈 사이의 냉각 성능 차이에 의한 것이 지배적이다. 상기 냉각 효율은 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향의 길이가 길어질수록, 즉, 냉매 유입부에서 냉매의 이동 거리가 길어질수록 편차가 크게 나타난다.

또한, 전지팩의 체적이 동일한 범위에서 일측 모서리가 지나치게 길어지면 전지팩을 탑재하는 수용체의 공간 효율성이 문제가 될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈이 2열 이상 배열되어 있으므로 1열로 팩을 구성하는 것보다 콤팩트한 크기를 가질 수 있어서, 사공간(dead space)을 줄이고 공간 효율성을 극대화할 수 있다. 또한, 각각의 전지모듈의 사이의 온도 편차도 증가하지 않은 것을 확인하였다.

상기 단위모듈은, 예를 들어, 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 모듈 하우징을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 모듈 하우징은 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다.

상기 모듈 하우징은 전지셀을 수납할 수 있으면 어느 구조라도 가능하지만, 비제한적인 하나의 예에서 전지셀 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 특히 별도의 체결 부재를 필요로 하지 않는 조립 체결방식으로 결합되는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 단위모듈은 금속 소재의 모듈 하우징 내부에 두 개의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 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 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.

상기 파우치형 전지셀에서 셀 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 상하부 접촉부위를 밀봉하는 구조일 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.

상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식, 스택형 방식, 또는 스택/폴딩형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다.

전지모듈 내부 또는 전지모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 상기 전극단자들을 결합시킨 뒤, 둘 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되도록 접고 소정의 단위로 모듈 하우징에 의해 감쌈으로써 다수의 전지모듈들을 제조할 수 있다.

상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.

상기 전지셀의 외주면 실링부 중 측면 실링부는 모듈 하우징의 내면 형상에 대략 일치하도록 절곡시킴으로써 공간 활용도를 향상시켜 보다 컴팩트한 구조의 전지모듈을 제조할 수 있다.

상기와 같이 전지셀의 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조에서, 홀수 개의 전지셀을 직렬로 연결하는 경우, 단위모듈에서 전극단자가 양단부에 위치하게 되어 이후 공정에 용이하지 않을 수 있으므로, 짝수 개의 전지셀을 직렬로 연결하는 것이 바람직하다. 또한, 3개 이상의 전지셀을 단위모듈로 하는 경우, 최외곽 전지셀 이외의 전지셀들은 상기 모듈 하우징에 의해 직접적으로 고정되지 않아 진동 등에 의하여 문제를 초래할 가능성이 있다.

또한, 상기 모듈 하우징은 적층되었을 때 유로를 확보하기 위하여, 외주면에 돌기가 형성되어 있을 수 있다. 상기 돌기는 단위모듈들이 적층될 경우, 서로 맞닿아 돌기가 없는 부분에 냉매가 이동할 수 있도록 유로를 형성한다.

다른 하나의 바람직한 예에서, 상기 모듈 하우징의 전지셀의 전극이 돌출되는 면에 대응하는 부분은 다른 부분보다 낮게 형성되어 있어서, 상기 전지셀의 전극이 돌출되는 면을 고정시키는 역할을 한다.

상기 전지셀은 충방전이 가능한 이차전지이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 바람직하게는 중량대비 출력 또는 용량의 면에서 리튬 이차전지인 것이 바람직하다.

상기 전지모듈들은 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 2열 이상 배열되어 있는 것이 바람직하다.

일반적으로, 냉매는 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 유입되어 전지셀 또는 단위모듈의 사이를 관통하여 배출된다. 따라서, 상기와 같이 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 2열 이상 배열되면 냉매 유입부의 길이가 짧아지므로 냉각 효율이 높아지고, 동일 전지모듈 내의 전지셀 또는 단위모듈의 온도 편차를 줄일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 60 내지 120도의 각도로 분기되어 있는 것일 수 있다.

상기와 같은 각도 범위 내에서 냉매 유입구가 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 있는 구조에 의해 보다 컴팩트한 전지팩을 구성할 수 있다. 상기와 같은 이유로, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 90도의 각도로 분기되어 있는 것이 바람직하다.

상기 냉매 배출 덕트는 배출구가 연결되는 지점에서 상부 방향으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.

상기 냉매 배출 덕트가 상부 방향으로 형성되는 경우, 상기 전지 모듈의 측면을 따라 형성될 수 있으므로, 전체 전지팩의 공간 효율성을 높게 할 수 있다. 냉매 배출 덕트가 하부 방향으로 형성되는 경우에는 덕트의 길이만큼 하부로 돌출되는 구조가 되고, 전지셀의 적층 방향으로 배출구가 형성되는 경우에도 덕트의 길이만큼 상기 방향으로 돌출되는 구조가 되므로, 바람직하지 않다.

상기 냉매 배출구 쪽에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있는 구동력을 제공하는 흡입 팬이 장착되어 있는 구조일 수 있다.

유입구 쪽에 송풍 팬이 설치될 경우, 전지팩이 탑재되는 디바이스의 내부에서 팬의 구동 소음이 클 수 있다. 또한, 상기와 같이 흡입 팬으로 구동력을 제공하는 경우, 유입구를 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 소정의 각도로 분기하는 경우에도 각각의 전지모듈로 균일한 양의 냉매가 제공될 수 있다는 것을 확인하였다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 흡입 팬은, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈에 대한 충격을 최소화할 수 있도록, 전지모듈의 상단부보다 높은 위치에 장착되는 구조일 수 있다.

따라서, 흡입팬이 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있어서, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 흡입팬이 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 주는 것을 최소화하여 전지팩의 안전성을 담보할 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.

상기 냉매 유입부의 상단 내면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로 냉매 유입부가 넓어지도록, 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면에 대해 기울어진 경사면 구조로 이루어질 수 있다.

상기 냉매 유입부의 상면과 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면이 평행한 구조로 이루어져 있는 경우, 유량이 냉매 유입구 근처의 유로에서 많이 감소하여 전지셀 또는 단위모듈들 간의 온도 편차가 높다는 문제점을 가지고 있다.

반면에, 상기와 같은 경사면 구조로 냉매 유입부의 상단 내면이 형성되어 있는 경우, 이러한 온도 편차를 줄일 수 있어 전지팩의 성능 저하를 막을 수 있다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 경사면의 기울기 각도는 3 내지 8도인 것을 들 수 있다.

3도 이하의 기울기를 가지는 경우, 온도 편차가 줄어드는 것에 효율적이지 못하고, 8도 이상인 경우, 유입구의 높이가 높아지므로, 컴팩트한 구조를 형성할 수 없고, 유입구의 단면적이 커짐에 따라 냉매의 속도가 느려질 수 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 냉매 유입구가 상기 냉매 유입부의 상단 내면의 기울기보다 더 큰 크기로 기울어져 있는 경우에 상기 온도 편차가 더욱 줄어들 수 있다. 바람직하게는, 상기 냉매 유입구가 20 내지 80도의 기울기로 기울어져 있는 구조일 수 있다.

상기 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 단위 셀 적층체의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 형성하는 경우, 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 단위 셀 적층체의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 이격되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 냉매 유입구의 대향 단부에 도달하는 냉매의 양을 적절히 제한하므로, 단위 셀들에 대한 냉매의 균일한 분배 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

이 경우, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 바람직하게는 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 1 내지 10 mm 정도 이격된 구조일 수 있다.

상기 냉매 배출부는 단위 셀 적층체의 하단부에 대해 균일한 높이를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 단위 셀 적층체의 하단부에 대면하는 냉매 배출부의 하단 내면은 단위 셀 적층체의 하단과 균일한 높이를 가지는 구조로 이루어질 수 있다. 그러나, 냉매 배출의 효율성을 높이기 위해 일부 변형된 구조도 가능함은 물론이다.

본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 사용하며 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 차량을 제공한다.

하나의 바람직한 예에서, 상기 차량은 고출력 대용량을 요구하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.

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 2열 이상의 전지모듈로 구성되어 있으므로, 공간을 더욱 효율적으로 활용할 수 있어, 차량에 장착되는 경우 차량 내부의 사공간를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전지팩은 각 전지모듈별로 냉각시키는 구조를 가지면서도 각 전지모듈별로 전지셀의 온도 편차가 거의 없게 유지시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지팩의 개략적인 구조도이다;
도 3은 도 1의 전지모듈을 팩 케이스에 장착한 구조를 나타내는 수직 단면 모식도이다;
도 4는 도 1의 전지팩 구조에서 각각의 전지모듈 내부의 단위모듈들의 온도 편차를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈에 사용되는 모듈 하우징의 사시도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈에 사용되는 모듈 하우징의 결합구조를 나타낸 부분 확대도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도이다.

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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 개략적인 구조도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 측면 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 냉매 유입 덕트(180), 냉매 유입구(110), 전지모듈(191, 192), 및 냉매 배출구(120)로 이루어져 있다.

냉매 유입구(110)는 각 전지모듈(191, 192)에 대응하여 냉매 유입 덕트(180)로부터 각각 분기되어 전지모듈(191, 192)과 연결되어 있으며, 각 냉매 유입구(111, 112)는 냉매 유입 덕트(180)의 냉매 이동 방향에 대해 약 90도의 각도로 분기되어 각각의 전지모듈(191, 192)로 연결된다.

전지모듈(191, 192)은 단위모듈(130)들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있고, 단위모듈(130)의 적층 방향으로 2열로 배치되어 있다. 전지모듈(191, 192)은 각각의 팩 케이스(171, 172)에 내장되어 있고, 팩 케이스(171, 172)는 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 단위모듈(130)의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈(191, 192)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구(110)와 냉매 배출구(120)가 팩 케이스(171, 172)의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구(111, 112)로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부(140)과 전지모듈(191, 192)로부터 냉매 배출구(120)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(150)가 각각 형성되어 있다.

냉매 배출구(120)는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트(121)로 연결되어 있다. 냉매 배출구(120) 쪽에는 냉매 유입구(111, 112)로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있는 구동력을 제공하는 흡입 팬(도시하지 않음)이 장착되어 있다.

전지모듈(191, 192)에 대해 더욱 구체적으로 설명하면, 전지모듈(191, 192)의 팩 케이스(170)는 단위모듈들(130)의 적층방향(L)에 수직한 방향으로, 냉매가 단위모듈(132)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구(110)와 냉매 배출구(120)가 상호 반대방향으로 팩 케이스(170)의 상부 및 하부에 각각 형성되어 있다.

단위모듈들(130) 사이에는 냉매가 이동할 수 있는 작은 유로(160)가 형성되어 있어서, 냉매 유입구(110)로부터 유입된 냉매가 유로(160)를 통해 이동하면서 단위모듈(130)에서 발생한 열을 제거한 후, 냉매 배출구(120)를 통해 배출되게 된다.

팩 케이스(170)에서 냉매 유입구(110)의 기울기 각도(B)가 냉매 유입구(110)의 대향 단부에서 시작하는 경사면의 기울기 각도(A) 보다 크다.

냉매가 냉매 유입구(110)로부터 도입되어 냉매 유입구(110)의 기울기 각도(B)와 경사면의 기울기 각도(A)를 가진 냉매 유입부(140) 내부를 따라 이동할 때, 냉매의 유동 단면적은 냉매 유입구(110)의 단부에서 멀어질수록 경사면의 각도(A)에 의해 점차 줄어들게 된다. 이 과정에서 냉매의 이동 속도는 점차 빨라지지만 냉매 유량은 감소하게 되어, 냉매가 냉매 유입구(110)로부터 먼 거리에 위치한 전지셀들(130)까지 도달하면서 냉매 유입구(110)와 인접한 전지셀들과 냉매 유입구로부터 먼 거리에 위치한 전지셀들 모두가 균일하게 냉각될 수 있다.

냉매의 균일성을 높여 온도 편차를 최소화할 수 있도록, 경사면의 기울기 각도(A)는 전지셀 적층체(132)의 상단면을 기준으로 대략 4도의 기울기를 가지고 있고, 냉매 유입구(110)의 기울기 각도(B)는 대략 20도의 기울기를 가지면서 각각 냉매 유입부(140)의 상단 내면(142)에 형성되어 있다. 또한, 냉매 유입구의 폭(d)은 대략 전지팩 케이스(170)의 길이(l)를 기준으로 15%의 크기로 형성되어 있다.

또한, 전지팩 케이스(170)는, 냉매 유입구(110)의 대향 단부의 기울기(A)가 냉매 유입구(110)의 기울기(B)보다 작은 2개의 경사진 구조로 이루어져 있으므로, 냉매 유량이 냉매 배출구(120)가 있는 쪽으로 몰리는 현상을 방지할 수 있어서, 냉매 유입구(110)에 인접한 전지셀들의 온도가 상승하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

냉매 유입구(110)의 대향 단부는 전지셀 적층체(132)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(110)의 대향 단부에 도달함으로써, 대향 단부에 인접한 전지셀들(130)이 과냉각되는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 구조를 가짐으로써 상기 전지팩은 특정 방향으로 돌출이 적은 컴팩트한 형상을 제공할 수 있으므로, 공간 효율성 면에서 우수한 장점이 있다. 또한, 2열로 나누어 분기하는 경우에도 각 전지모듈(191, 192) 간에 온도 편차가 거의 없는 것을 확인하였다.

도 4에는 도 1의 전지팩 구조에서 2개 열의 전지모듈 내부의 단위모듈들의 온도 편차를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 4를 도 2와 함께 참조하면, 도 4은 도 2의 팩 케이스(171, 172) 구조에서, 팩 케이스(171, 172) 내에 각각 적층되어 있는 전지셀들의 온도를 냉매 배출구(120)에 인접한 전지셀부터 냉매 유입구(110)에 위치한 전지셀까지 측정한 결과를 나타내고 있다. 즉, 전지셀 번호 1은 팩 케이스(171) 내의 냉매 배출구(120)에 인접한 전지셀을 나타내고, 전지셀 번호 12는 팩 케이스(171) 내의 냉매 유입구(111)에 인접한 전지셀을 의미한다. 또한, 전지셀 번호 13은 팩 케이스(172) 내의 냉매 배출구(120)에 인접한 전지셀을 나타내고, 전지셀 번호 24는 팩 케이스(172) 내의 냉매 유입구(112)에 인접한 전지셀을 의미한다.

상기 온도 측정 실험은 전지셀에 소정의 부하를 인가하고 외기 온도가 상온인 조건에서 실시하였다. 또한, 냉매 유입구(111, 112)의 기울기 각도(B)는 표준 각도로서 임의로 20도를 정하고, 냉매 유입부의 상단 내면(142)의 기울기 각도로서 임의로 4도로 정하여 실험을 실시하였다. 각 실험은 80 CMH(Cubic Meter per Hour, cm³/h)의 풍량으로, 유입구와 배출구의 최대 높이를 각각 18mm-15mm(i18o15), 18mm-20mm(i18o20) 및 20mm-25mm(i20o25)로 하여 실험을 실시하였다. 실험 결과, 80CMHi18o15인 경우 각 전지모듈 내의 온도 편차가 약 2.5℃ 나타났으나, 각 전지모듈 상호간의 온도 편차는 거의 나타나지 않았고, 80CMHi18o20 및 80CMHi20o25인 경우에는 각 전지모듈 내의 온도 편차가 약 1.5℃로 나타났으나, 각 전지모듈 상호간의 온도 편차는 거의 나타나지 않았다.

전지셀을 1열로 구성하는 경우에 비하여 전지셀의 적층 방향의 길이가 짧으므로 냉매의 이동거리 차이가 줄어들어 각 전지셀간 온도 편차가 줄어들고, 각 전지모듈간의 온도편차가 거의 없으므로 전체 온도 편차가 줄어드는 것을 알 수 있다.

도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈에 사용되는 모듈 하우징의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 전지셀 적층체(500)의 외면 전체를 감싸는 구조의 한 쌍의 고강도 모듈 하우징(200)이 도시되어 있는 바, 모듈 하우징(200)은 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 모듈 하우징(200)은 한 쌍의 좌측 하우징(211)과 우측 하우징(212)으로 이루어져 있으며, 별도의 체결 부재를 사용하지 않고 상호 결합되는 구조일 수 있다. 모듈 하우징(200)을 구성하는 각 일측 커버의 중앙에는 써미스터(도시하지 않음)가 부착되어 있고, 이는 케이블을 통해 외부의 커넥터(도시하지 않음)와 연결된다.

도 6에는 상기 모듈 하우징의 결합구조를 나타낸 부분 확대도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 모듈 하우징들(211, 212)이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록, 수직 단면상으로 상호 대응되는 굴곡 구조(221a, 222a, 221b, 222b)로 이루어져 있다. 상기 굴곡 구조는 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있다. 따라서, 모듈 하우징(200)의 조립을 위해서 별도의 결합 부재 내지 가공 공정을 거칠 필요 없이 강력한 기계적 결합이 가능하며, 그러한 간편한 결합 방식은 양산 공정에의 적용에 특히 바람직하다.

도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 상기 중첩되게 접혀진 전지셀 적층체(100)의 외부에는 한 쌍의 모듈 하우징(200)이 장착되어 전지셀(500)의 약한 기계적 특성을 보완하고 있다. 전지셀의 일측 전극단자(520)는 서로 용접에 의해 결합되어 'ㄷ'자 모양으로 절곡되어 있고, 반대편 전극단자(521)는 측면에 적층되는 전지 모듈의 전극단자와 결합되기 위해서 바깥쪽으로 절곡되어 있다.

모듈 하우징(200)은 전극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 모듈 하우징(200)의 좌우 양단에 인접한 측면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(240)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(250)가 형성되어 있다. 또한, 모듈 하우징(200)의 상단과 하단에는 종방향 고정부(260)가 형성되어 있어 모듈의 장착을 용이하게 한다. 모듈 하우징(200)의 외면에는 폭 방향으로 서로 이격되어 있는 다수의 선형 돌출부가 형성되어 있는데, 가운데 형성되어 있는 돌출부에는 써미스터의 장착을 위한 만입부(233)가 형성되어 있으며, 상기 선형 돌출부들 중에서 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(231, 232)가 각각 형성되어 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims

전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서,
상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고,
상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며,
상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고,
상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 모듈 하우징을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 2 항에 있어서, 상기 단위모듈은 금속 소재의 모듈 하우징의 내부에 두 개의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 2열 이상 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 60 내지 120도의 각도로 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 5 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 90도의 각도로 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출 덕트는 배출구가 연결되는 지점에서 상부 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출구 쪽에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있는 구동력을 제공하는 흡입 팬이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 8 항에 있어서, 상기 흡입 팬은, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈에 대한 충격을 최소화할 수 있도록, 전지모듈의 상단부보다 높은 위치에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입부의 상단 내면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로 냉매 유입부가 넓어지도록, 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면에 대해 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 경사면의 기울기 각도는 3 내지 8도인 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 폭은 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 10 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 13 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면으로부터 1 내지 10 mm의 높이로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출부는 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 하단부에 대해 동일한 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
제 16 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 차량.