KR20170065906A - 전지모듈들을 균일하게 냉각시킬 수 있는 간접 냉각 시스템 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액상 냉매의 유입과 배출을 위한 냉매 유입구 및 냉매 배출구; 냉매 유입구 또는 냉매 배출구에 연통되어 있는 복수의 냉매 파이프들; 둘 이상의 냉매 파이프들이 상호 연통되도록 이들 사이를 연결하며, 연결된 냉매 파이프들 사이에서 액상 냉매의 흐름을 변경 내지 분할하는 하나 이상의 파이프 연결부재; 및 냉매 파이프들 중에서 적어도 하나의 냉매 파이프에 연통되어 있는 중공형 유로를 포함하고 있고, 일면에 전지모듈이 탑재되며, 상기 중공형 유로를 통해 액상 냉매가 순환하는 복수의 냉각 플레이트들; 을 포함하는 냉각 시스템 및 이를 포함하는 전지팩을 제공한다.

Description

전지모듈들을 균일하게 냉각시킬 수 있는 간접 냉각 시스템 및 이를 포함하는 전지팩 {Indirect Cooling System Capable of Equally Cooling Battery Modules and Battery Pack Including the Same}
본 발명은 전지모듈들을 균일하게 냉각시킬 수 있는 간접 냉각 시스템 및 이를 포함하는 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 주목 받고 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 모듈화시킨 전지모듈 또는 이 전지모듈 다수를 전기적으로 연결한 전지팩이 사용된다.
중대형 전지모듈이나 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 이들의 전지셀(단위전지)로서 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.
이러한 중대형 전지모듈 또는 전지팩을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어렵다.
충방전 과정에서 발생한 전지셀들의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지셀들의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 고출력 대용량의 전지모듈 또는 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
한편, 중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 카트리지 등에 내장하고 이러한 카트리지들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 적층된 전지셀들 또는 전지모듈들 사이에는 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 이들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 전지팩의 냉각 구조는 다수의 전지셀들이나 전지모듈에 대응하여 다수의 냉매 유로를 확보하여야 하므로, 전지팩의 전체 크기가 커지게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전지팩이 많은 전지셀들을 포함할수록, 냉각 구조와 관련하여 다수의 부품이 추가되어 전지팩의 부피가 커질 뿐만 아니라, 제조 공정이 복잡해지며, 냉각 구조의 설계에 소요되는 비용이 역시 크게 상승하는 단점이 발생한다.
또한, 전지모듈들 또는 전지셀들 각각의 열이 전도되어 냉매 유로에서 냉각이 되는 구조를 형성하기 위하여 다수의 부품들이 사용되므로, 열전도 효율이 감소하여 결과적으로 냉각 성능이 저하되는 문제점도 발생하였다.
따라서, 냉각 효율이 높으면서도, 콤팩트한 구조로 설계될 수 있는 냉각 시스템에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 많은 부재들을 사용하지 않으면서도 전지모듈들로부터 발생한 열을 균일하게 제거할 수 있는 콤팩트 한 구조의 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자동차와 같은 디바이스 내에서, 전지팩의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각 시스템은,
복수의 전지모듈들을 냉각시키는 시스템으로서,
액상 냉매의 유입과 배출을 위한 냉매 유입구 및 냉매 배출구;
냉매 유입구 또는 냉매 배출구에 연통되어 있는 복수의 냉매 파이프들;
둘 이상의 냉매 파이프들이 상호 연통되도록 이들 사이를 연결하며, 연결된 냉매 파이프들 사이에서 액상 냉매의 흐름을 변경 내지 분할하는 하나 이상의 파이프 연결부재; 및
냉매 파이프들 중에서 적어도 하나의 냉매 파이프에 연통되어 있는 중공형 유로를 포함하고 있고, 일면에 전지모듈이 탑재되며, 상기 중공형 유로를 통해 액상 냉매가 순환하는 복수의 냉각 플레이트들;
을 포함하며,
상기 액상 냉매는 파이프 연결부재에 의해 분할되면서 서로 다른 냉각 플레이트에 공급된 후 수령되며, 상기 분할된 액상 냉매의 열전도에 의해 냉각 플레이트를 통해 전지모듈을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 냉각 시스템은, 전지모듈이 탑재되는 냉각 플레이트들에 냉매 유로가 형성되어 있으므로, 별도의 냉매 유로를 전지모듈들 사이나 전지셀들 사이에 장착한 구조와 비교하여 구조가 콤팩트할 뿐만 아니라, 분할된 액상 냉매가 각각의 냉각 플레이트들에서 독립적으로 전지모듈을 냉각시키기 때문에 다수의 전지모듈들에 대해 높은 냉각 균일성을 확보할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 냉각 시스템은, 냉매 파이프들의 유기적인 결합 구조를 통해, 거의 동일한 온도의 액상 냉매 흐름이 각각의 냉각 플레이트로 공급되는 구조로 이루어져 있다. 이에 하기 비제한적인 예들을 통해, 본 발명에 따른 냉각 시스템의 구체적인 구조를 상세하게 설명한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉매 파이프들은,
상기 냉매 유입구에 연결되어 있는 제 1 냉매 파이프;
상기 냉매 배출구에 연결되어 있는 제 2 냉매 파이프;
상기 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프 사이에서, 파이프 연결부재들에 의해 연결된 상태로, 제 1 냉매 파이프 및 제 2 냉매 파이프와 연통되는 복수의 제 3 냉매 파이프들; 및
상기 파이프 연결부재에 의해 제 3 냉매 파이프에 연결된 상태로, 냉각 플레이트들의 유로에 연결되어 있는 복수의 제 4 냉매 파이프들;을 포함할 수 있다.
이를 더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명에서 제 3 냉매 파이프들은 파이프 연결부재들에 의해 상호 결합되면서 액상 냉매의 전반적인 순환을 유도할 수 있다. 또한, 상기 제 3 냉매 파이프들 중, 일부가 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프에 연결되면서 냉매 유입구와 냉매 배출구는 제 3 냉매 파이프들 전체와 연통될 수 있다.
따라서, 액상 냉매는 유입구로부터 제 1 냉매 파이프로 유동한 후, 제 1 냉매 파이프로부터 제 3 냉매 파이프들을 따라 순환하며, 그 후, 제 2 냉매 파이프를 경유하여 냉매 배출구로 배출될 수 있다.
상기 제 4 냉매 파이프는 액상 냉매가 순환되는 제 3 냉매 파이프와 냉각 플레이트 사이에서 이들을 연결하는 파이프로서, 제 3 냉매 파이프로부터 액상 냉매를 냉각 플레이트로 유도하거나, 상기 냉각 플레이트로부터 제 3 냉매 파이프로 유도하는 역할을 수행한다.
여기서, 상기 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프는 액상 냉매의 대량 유입과 대량 배출이 가능하고, 액상 냉매가 상대적으로 큰 냉매 파이프로부터 작은 냉매 파이프로 유동 시 가압, 가속되는 점을 이용하기 위해, 다른 냉매 파이프들 대비 상대적으로 큰 내경을 가질 수 있으며, 상세하게는 이들 냉매 파이프 각각의 내경은 제 3 냉매 파이프들의 내경의 101% 내지 200% 크기일 수 있다.
상기 범위 미만에서는, 냉각 시스템의 원활한 순환을 위한 액상 냉매의 유입량과 배출량이 적고 액상 냉매의 가압, 가속 정도가 미미하므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 범위를 초과하는 경우에는, 냉각 시스템의 전반적인 크기가 증가되는 단점과 함께, 과도한 유체압력에 의해, 제 3 냉매 파이프와 연결된 파이프 연결부재에서 액상 냉매의 유동성이 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 파이프 연결부재들 중에서 적어도 하나는, 하나 이상의 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프에 연결된 상태로, 액상 냉매를 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프로 분할하여 액상 냉매의 유동 방향을 조정할 수 있다.
즉, 액상 냉매의 일부는 파이프 연결 부재에서 제 4 냉매 파이프로 유동하며, 나머지는 제 3 냉매 파이프들을 따라 유동하게 된다.
이후, 상기 나머지 액상 냉매는 또 다른 파이프 연결 부재에서 또 다른 제 4 냉매 파이프와 또 다른 제 3 냉매 파이프로 분할될 수 있다.
이와는 달리, 상기 파이프 연결부재들 중에서 적어도 하나는, 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프에 연결된 상태로, 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프 각각으로 분할된 액상 냉매를 하나의 냉매 흐름으로 규합하여, 냉매의 유량을 조정할 수 있다.
이를 액상 냉매 기준으로 설명하면, 상기 액상 냉매는 냉각 플레이트의 유로를 따라 순환한 후, 제 4 냉매 파이프로 유동하여 파이프 연결 부재로 이동한다. 여기서, 상기 파이프 연결 부재에는 제 3 냉매 파이프가 연결되어 있으므로 제 4 냉매 파이프와 제 3 냉매 파이프의 액상 냉매 흐름이 연결 부재에서 만나 서로 규합될 수 있다.
이와 같이 액상 냉매의 유동 방향 조정과 분할되었던 액상 냉매를 규합하기 위하여, 상기 연결부재는, 냉매 파이프들 각각에 연결되는 복수의 연결관들을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 파이프 연결부재는, 단부가 냉매 파이프들의 내부에 삽입된 상태로 냉매 파이프들을 상호 연결하는 n개(n≥2)의 연결관들(connection conduit)을 포함하고, 상기 n이 3 이상일 때, 상기 연결관들 중에서 적어도 하나는 나머지 연결관들의 내경의 5% 내지 99% 크기인 내경을 가질 수 있다.
따라서, 상기 액상 냉매는 각각의 연결관들로 분할 유동하면서 서로 다른 냉매 파이프들로 유도될 수 있다.
또한, 상기 액상 냉매는 연결관들의 상이한 내경에 의해 서로 다른 유속과 유량으로 분할될 수 있는 점에 주목해야 한다.
일반적으로, 냉각 속도는 액상 냉매의 빠른 순환에 큰 영향을 받기 때문에 액상 냉매의 유속이 중요하고, 그에 따라 실제 냉각이 수행되는 냉각 플레이트에는 높은 유속으로 액상 냉매가 공급되는 것이 유리하다. 따라서, 냉각 플레이트 방향으로 액상 냉매를 분할하는 연결관은 가압에 의한 유속 증가를 위해 내경이 상대적으로 작은 구조일 수 있고, 여기에 냉각 플레이트와 연통되는 제 4 냉매 파이프가 연결될 수 있다.
한편, 냉각 플레이트들로 공급되기 이전에, 액상 냉매들의 전반적인 순환을 유도하는 제 3 냉매 파이프에서는, 가능한 열교환되지 않은 다량의 액상 냉매, 즉, 유입 시의 온도와 실질적으로 동일한 상태의 액상 냉매가 대량으로 순환되도록 유도하고, 각 파이프 연결부재들에서 분할시키는 것이 유리하기 때문에, 제 3 냉매 파이프에 연결되는 연결관은 상대적으로 큰 내경을 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 냉각 시스템은 각 냉매 파이프에 연결되는 연결관들의 내경을 달리하여 각 냉매 파이프들로의 액상 냉매 유속과 유량이 설정되는 구조로 이루어져 있으며, 상기와 같이 연결관들의 내경이 5% 내지 99% 크기 비율로 상이할 수 있다.
다만, 연결관들의 내경 차이가 1% 미만으로 상이한 경우에는 액상 냉매가 분할될 때 가압, 가속되는 정도가 미미하므로 본 발명에서 의도한 냉각 플레이트에서의 빠른 순환을 기대할 수 없으며, 99%를 초과로 상이한 경우에는, 오히려 액상 냉매의 유압이 증가하면서 유속이 감소될 수 있으므로 바람직하지 않다.
이러한 점을 고려할 때, 상기 연결관들의 내경 차이는 상세하게는 10% 내지 90%일 수 있고, 더욱 상세하게는 30% 내지 80%일 수 있다.
상기와 같이, 액상 냉매의 유속과 유량은 냉각 시스템의 냉각 균일성과 효율에 영향을 미치므로, 본 발명에서 상기 냉매 파이프들의 내경 역시 액상 냉매의 유속과 유량을 고려하여 설계될 수 있으며, 이에 기반하여, 상기 냉매 파이프에서 유동하는 액상 냉매의 유량 및 유속은 연결관들의 내경과 연결관들에 연결된 냉매 파이프의 내경에 의해 설정될 수 있다.
다만, 본 발명의 냉각 시스템에서, 액상 냉매의 전반적인 순환을 유도하는 제 3 냉매 파이프들과 액상 냉매의 일부만을 유도하는 제 4 냉매 파이프들에서 액상 냉매의 유속과 유량이 상당히 상이한 경우에는, 냉각 시스템의 어느 한 지점('예를 들어 액상 냉매가 규합되는 파이프 연결부재')에서 액상 냉매의 전반적인 유동성이 둔화되거나 유동이 완전히 적체되면서, 냉각 효율성이 크게 저하될 수 있으므로, 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프는 서로에 대해 특정한 내경 비율을 가지는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 4 냉매 파이프들은 내경은 제 3 냉매 파이프들의 내경의 5% 내지 99% 크기일 수 있다.
이와 같은 제 4 냉매 파이프의 내경 범위는, 상기 파이프 연결 부재에서의 원리와 동일한 것으로, 냉각 플레이트 방향으로 액상 냉매를 가속시키기 위함이며, 상기 제 4 냉매 파이프와 제 3 냉매 파이프의 내경 차이가 1% 미만으로 상이한 경우에는 액상 냉매의 가속 정도가 미미하므로 본 발명에서 의도한 빠른 순환을 기대할 수 없으며, 95% 초과로 상이한 경우에는, 오히려 액상 냉매의 유압과 유체저항이 함께 증가하여, 유속이 크게 감소될 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명에서 제 4 냉매 파이프들은 앞서 설명한 바와 같이, 냉각 플레이트로의 액상 냉매 유도, 또는 냉각 플레이트로부터 액상 냉매를 파이프 연결 부재로 유도하는 두 가지 종류로 구분될 수 있으며, 이들의 크기 또한 상이할 수 있다.
구체적으로, 냉각 플레이트로부터 액상 냉매를 파이프 연결 부재로 유도하는 제 4 냉매 파이프의 경우, 냉각 플레이트로부터 연결 부재로 다량의 액상 냉매 배출을 유도하는 것이 유리하므로 상대적으로 큰 내경을 가질 수 있다. 다만, 상기 구조에서도 액상 냉매의 유속 또한 빠른 것이 유리하므로 내경이 제 3 냉매 파이프와 동일한 것은 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 경우에 제 4 냉매 파이프의 내경 크기는 제 3 냉매 파이프들의 내경 대비 30% 내지 99%일 수 있고, 상세하게는 60% 내지 99%일 수 있다.
반면에, 액상 냉매를 냉각 플레이트로의 유도하는 제 4 냉매 파이프의 경우에는 액상 냉매의 가속을 위해 상대적으로 작은 내경을 가질 수 있으며, 상세하게는 제 3 냉매 파이프들의 내경 대비 30% 내지 99%일 수 있고, 상세하게는 10% 내지 90%일 수 있으며, 더욱 상세하게는 50% 내지 80%인 것이 바람직하다.
상기 연결관들에 연결되는 냉매 파이프들 각각은 연결관 외측에 냉매 파이프의 내측이 억지끼움 방식으로 삽입되는 구조일 수 있으며, 이러한 억지끼움이 가능하도록, 냉매 파이프들은, 연결관의 직경 대비 작은 내경을 가질 수 있으며, 상세하게는 연결관의 직경 대비 70% 내지 100%의 내경을 가질 수 있다. 또한, 이러한 구조에서는 연결관으로부터 냉매 파이프들로 액상 냉매가 가속될 수 있다.
상기 범위 미만에서는, 냉매 파이프의 내경이 너무 작아, 냉매 파이프로의 액상 냉매 유동이 원활하지 않고, 억지끼움이 실질적으로 불가능하므로 바람직하지 않다. 또한, 상기 범위를 초과할 경우에는 냉매 파이프와 연결관이 상호 공고히 결합될 수 없는 바, 바람직하지 않다.
상기 냉매 파이프들의 형상은, 직선형 및 곡선형 구조에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
예를 들어, 냉각 플레이트에 연결되는 제 4 냉매 파이프는 냉각 플레이트의 위치에 관계 없이, 이에 대한 유연한 연결 구조를 달성하기 위하여 곡선형 구조로 이루어질 수 있으며, 냉각 시스템에서 액상 냉매의 전반적인 순환을 유도하는 제 3 냉매 파이프의 경우, 경로의 최단화를 위하여, 직선형 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 냉매 파이프들 중, 직선형의 냉매 파이프는 경직한 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 이러한 소재는 예를 들어, 기계적 강도가 매우 우수하고, 액상 냉매에 대한 단열성을 가지도록, 고강도의 나일론 또는 폴리염화비닐일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 직선형의 냉매 파이프는 또한, 가열 및 수축 결합방식에 의해 단부가 파이프 연결부재를 감싸는 구조로 결합된 구조일 수 있으며, 경우에 따라서는 클램핑 부재 등의 바인딩 부재가 이들의 결합부위를 더 고정시킬 수 있다.
상기 곡선형의 냉매 파이프는 냉매 플레이트에 대한 유연한 연결 구조가 가능하도록, 형태가 일부 연신되거나 휘어질 수 있는 유연한 고무 소재로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 탄성과 기계적 강도가 우수한 EPDM(ethylene propylene diene monomer)일 수 있다.
상기 곡선형 파이프는 앞서 설명한 제 4 냉매 파이프 외에도, 냉매 유입구 및 냉매 배출구의 위치에 탄력적으로 대응되도록 제 1 냉매 파이프 및 제 2 냉매 파이프에 적용될 수 있다.
또한, 상기 곡선형의 냉매 파이프는 파이프 연결부재의 연결관에 삽입된 상태에서, 클램핑 부재가 냉매 파이프의 단부를 감싸는 구조로 파이프 연결부재에 공고히 결합될 수 있다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 플레이트들 각각은 내부의 중공형 유로에 연통되어 있는 제 1 도관 및 제 2 도관이 냉각 플레이트의 외측으로 돌출된 구조로 이루어져 있고;
상기 냉각 플레이트들의 제 1 도관에는 액상 냉매의 수령을 위한 제 4 냉매 파이프들이 각각 연결되어 있으며;
상기 냉각 플레이트들의 제 2 도관에는 액상 냉매의 배출을 위한 제 4 냉매 파이프들이 각각 연결된 구조일 수 있다.
상기 냉각 플레이트들 각각은, 또한, 복수의 돌기부들이 형성되어 있는 베이스 플레이트; 및
상기 돌기부들에 밀착된 상태로 베이스 플레이트에 결합되어 돌기부들을 제외한 나머지 공간에 유로를 형성하는 커버 플레이트;를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 냉각 플레이트는, 돌기부와 베이스 플레이트가 설정하는 공간이 액상 냉매의 유동을 위한 유로로 설정되며, 베이스 플레이트와 커버 플레이트는 서로 기계적 체결부재, 예를 들어, 나사와 볼트의 결합에 의해 체결될 수 있다. 또한, 이들이 결합 경계면에는 수밀성 향상을 위한 고무 또는 실리콘 소재의 수밀 부재가 추가로 부가될 수 있다.
상기 돌기부들은, 베이스 플레이트의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라 비연속적으로 돌출된 구조의 제 1 돌기부들; 및 상기 제 1 돌기부들의 사이에서 베이스 플레이트의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라, 연속적으로 돌출된 구조의 제 2 돌기부들;을 포함할 수 있고,
상기 액상 냉매는 제 1 돌기부들의 비연속적인 구간에서 와류(vortex)되어 유속이 증가될 수 있다.
일반적으로, 냉각 속도는 열교환되지 않은 액상 냉매들의 유속과 냉각 면적의 말단들로의 확산 속도에 비례하기 때문에, 실제 열교환에 의한 냉각이 수행되는 냉각 플레이트의 유로에서 액상 냉매가 빠르게 유동 및 확산되는 것이 유리하다.
이에, 본 발명에서는 상기와 같이, 비연속적인 제 1 돌기부들 사이 공간에서 액상 냉매의 흐름이 불규칙적으로 분할되는 와류가 발생되며, 이에 기반하여, 액상 냉매가 더욱 빠르게 확산되면서 유동할 수 있는 바 냉각 플레이트 전반에서의 냉각 속도와 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 제 1 돌기부들 각각은, 액상 냉매에 대한 유체저항을 감소시키기 위해 전반적으로 유선형 구조로 이루어질 수 있다 또한, 이들 제 1 돌기부의 크기와 형상은 서로 상이하거나 동일할 수 있다. 또한, 이와 같이 확산되는 액상 냉매는 연속적인 형상의 제 2 돌기부에 의해 유도되면서 중공형 유로를 순환한다.
상기 베이스 플레이트는, 전지모듈을 제외한 외부로부터 유로 내부로열이 유입되는 것을 차단하기 위하여, 돌기부들이 형성된 면의 대향 면에 발포성 플라스틱, 내열성 세라믹 등의 단열재가 부가되어 있을 수 있다.
상기 커버 플레이트는, 전지모듈과의 사이에서 보다 효율적인 열전도가 이루어질 수 있도록, 전지모듈과 밀착되는 표면, 상세하게는 베이스 플레이트와 대면하는 면의 대향 면에, 열전도를 촉진하기 위한 열전도 패트가 부가될 수 있다. 이러한 열전도 패드(Thermal Interface Material Pad; T.I.M.P)는 열을 전도하는 기능의 계면물질로서, 전지모듈과의 접촉시 열전도 저항을 감소시키는 역할을 한다.
상기 열전도 패드의 소재는 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 에폭시계 접착제(thermally conductive epoxy-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad), 방열 접착 테이프(thermally conductive adhesive tape) 및 흑연 시트(graphite sheet)일 수 있으며, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 이들은 단독으로 사용될 수 있고, 둘 이상의 조합으로 사용될 수도 있다.
이상과 같이, 상기 냉각 플레이트들 각각은, 전지모듈의 열을 유동하는 액상 냉매로 제거하는 구조로 이루어져 있으며, 상세하게는, 상기 냉각 플레이트들은 커버 플레이트 상에 전지모듈이 안착되도록 구성되어 있고, 전지모듈에서 발생된 열이 냉각 플레이트로 전도되면 열을 수령한 상태로, 중공형 유로를 유동하는 액상 냉매로의 열 전도되도록 구성되어 있다. 이와 같은 과정에 의해, 상기 냉각 플레이트들은 전지모듈을 냉각시킬 수 있는 것이다.
또한, 상기 냉각 시스템에서 적어도 하나의 냉각 플레이트의 면적은, 나머지 냉각 플레이트의 면적 대비 100% 내지 300%이며, 돌기부들의 크기와 형태가 상이할 수 있다.
상기 냉각 플레이트들의 면적은 장착되는 전지모듈의 크기에 대응될 수 있으며, 본 발명에 따른 냉각 시스템은, 이처럼 상이한 면적의 냉각 플레이트들 상에, 상이한 크기와 형상을 가지는 복수의 전지모듈들에 대한 안착과 냉각이 동시에 가능하다.
다만, 다수의 전지모듈들로 구성된 중대형 전지팩에서, 일부 전지모듈의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 전지모듈들 간의 냉각 불균일성에 의한 것이므로, 냉각 시스템은, 전지모듈들의 온도 편차를 최소화할 수 있는 구조가 요구된다.
이에 본 발명의 냉각 시스템은, 앞서 설명한 바와 같이, 냉매 파이프들과 파이프 연결부재에서 액상 냉매의 유속과 유량 정도를 설정할 수 있으며, 이를 이용하여 상이한 냉각 면적을 가지는 냉각 플레이트들에서 액상 냉매의 유속과 유량 정도를 달리할 수 있고, 결과적으로, 이들 냉각 플레이트들은 균일한 냉각 속도를 유지할 수 있다.
또한, 돌기부들의 크기와 형태를 이용하여, 냉각 플레이트 당, 액상 냉매의 유동 속도와 유량을 달리할 수 있다.
예를 들어, 냉각 면적이 상대적으로 좁은 냉각 플레이트에서는 돌기부들 개수가 적고 이들의 형상이 상대적으로 작은 크기로 이루어질 수 있으며, 그에 따라 액상 냉매는 상대적으로 낮은 유속과 적은 유량으로 냉각 플레이트의 중공형 유로를 순환할 수 있다. 반면에, 냉각 면적이 상대적으로 넓은 냉각 플레이트에서는 돌기부들 개수가 많고, 이들의 형상이 상대적으로 큰 크기로 이루어질 수 있으며, 그에 따라 액상 냉매는 상대적으로 높은 유속과 많은 유량으로 냉각 플레이트의 중공형 유로를 순환할 수 있다.
상기 냉각 플레이트의 커버와 베이스 플레이트들은 열전도성이 높은 소재로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 구리, 알루미늄, 주석, 니켈, 스테인레스 스틸, 열전도성 고분자에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 냉각 시스템의 냉각 구조를 요약하면, 첫째, 액상 냉매가 제 3 냉매 파이프들을 순환하고, 둘째, 파이프 연결부재들에서 제 3 냉매 파이프들의 액상 냉매의 일부가 분할되어 냉각 플레이트들로 유입되며, 셋째, 냉각 플레이트에서 상기 과정으로 냉각을 수행한 후, 다시 제 3 냉매 파이프들로 규합되도록 구성되어 있다.
이를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 냉각 시스템은, 냉매 유입구와 제 1 냉매 파이프를 통해 유입된 액상 냉매가, 파이프 연결부재를 경유하면서 제 3 냉매 파이프들로 유동하는 제 1 액상 스트림들(stream); 및 제 4 냉매 파이프들로 유동하는 제 2 액상 스트림들;로 분할될 수 있다.
여기서, 상기 제 2 액상 스트림들은, 제 4 냉매 파이프들과 이에 연결된 제 1 도관들을 통해 냉각 플레이트들 각각의 중공형 유로에 유입된 후, 상기 중공형 유로를 경유하여 제 2 도관들과 이에 연결된 제 4 냉매 파이프들을 통해 냉각 플레이트들의 외부로 배출될 수 있다.
이후, 상기 배출된 제 2 액상 스트림은, 제 2 도관들에 연결된 제 4 냉매 파이프를 통해 파이프 연결부재로 유도된 후, 상기 파이프 연결부재에 연결된 제 3 냉매 파이프의 제 1 액상 스트림에 규합되며, 상기 규합된 액상 냉매는 제 2 냉매 파이프 및 냉매 배출구를 통해 배출될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 시스템은,
N-1(N≥3) 개의 냉각 플레이트들이 측면 방향으로 나란히 배열된 집합체 구조로 이루어져 있고,
상기 집합체의 중심부와 대응되는 위치에서, 상기 냉각 플레이트들의 전방 방향에 제 1 냉각 플레이트가 배열되어 있으며,
상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는, 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프에 연결된 상태로, 제 1 냉각 플레이트의 전방에서 나란히 위치할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 냉각 시스템은 제 1 냉각 플레이트들과 N-1(N≥3) 개의 냉각 플레이트들이 평면상으로 'T'자 형상으로 연결된 구조일 수 있다.
상기 냉매 유입구 및/또는 냉매 배출구에는, 이들을 통과하는 액상 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 설치될 수 있다.
상기 제 3 냉매 파이프들의 일부는, 파이프 연결부재들에 의해 제 1 냉매 파이프 및 제 2 냉매 파이프와 연결된 상태로 제 1 냉각 플레이트의 측면을 따라 배열되어 있고;
나머지 제 3 냉매 파이프들은 상기 측면을 따라 배열된 제 3 냉매 파이프들과 또 다른 파이프 연결부재에 의해 제 1 냉각 플레이트와 상기 집합체 사이에서 연결되어 있을 수 있다.
상기 파이프 연결부재들에는 제 4 냉매 파이프들이 더 연결되어 있고, 상기 냉각 플레이트들은 상기 제 4 냉매 파이프들에 연결된 상태로, 냉매 유입구 또는 냉매 배출구에 연통될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 냉각 시스템을 포함하는 전지팩으로서,
각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있으며, 상기 냉각 시스템의 냉각 플레이트 상에 밀착된 상태로 안착되어 있는 전지모듈;
상기 전지모듈들과 냉각 시스템이 상면에 탑재되는 하부 하우징(bottom housing); 및
상기 전지모듈들과 냉각 시스템이 외부로부터 격리되도록, 하부 하우징의 외주변에 결합되는 상부 하우징(top housing);
를 포함하고 있고,
상기 전지모듈들 중에서 적어도 하나 이상의 전지모듈은 전지셀들의 배열 방향이 다른 전지모듈과 상이한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들의 배열 방향이 상이한 구조의 전지모듈들을 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 크기, 형상 및 구조를 보다 다양하게 구성할 수 있으며, 이에 따라, 자동차와 같은 디바이스 내에서, 전지팩의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있고, 전지팩의 용량 대비 부피를 최소화할 수 있어, 디바이스의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있으며, 제한된 공간에서, 전지팩에 대한 수리 또는 점검을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지모듈들은 제 1 전지모듈 어셈블리들 및 제 2 전지모듈 어셈블리들로 구분되어 있고, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리들에 속하는 전지셀들의 배열 방향과 제 2 전지모듈 어셈블리들에 속하는 전지셀들의 배열 방향이 서로 상이할 수 있다.
다시 말해, 본 발명에 따른 전지팩을 구성하는 전지모듈들은, 상기 전지모듈을 구성하는 전지셀들의 배열 방향에 따라, 제 1 전지모듈 어셈블리와 제 2 전지모듈 어셈블리로 구분될 수 있다.
이때, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리는, 제 1 냉각 플레이트 및/또는 집합체의 중심부에 인접한 냉각 플레이트 상에 탑재되어 있고,
상기 제 2 전지모듈 어셈블리는, 나머지 집합체의 냉각 플레이트 상에 탑재되어 있는 구조일 수 있다.
이러 전지팩 구조는, 전지모듈 어셈블리들이 전반적으로 'T'자 형상으로 배열된 구조로서, 전지팩은 평면상으로 자동차와 같은 디바이스의 중앙 부위에 위치해, 상기 다비이스의 좌우 양측에 인가되는 무게가 균형을 이루도록 구성할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지팩에 의해 인가되는 무게를 고려한 디바이스의 역학적 설계를 보다 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 전지팩에서 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 130 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 시스템은, 전지모듈이 탑재되는 냉각 플레이트들에 냉매 유로가 형성되어 있으므로, 별도의 냉매 유로를 전지모듈들 사이나 전지셀들 사이에 장착한 구조와 비교하여 구조가 콤팩트할 뿐만 아니라, 분할된 액상 냉매가 각각의 냉각 플레이트들에서 독립적으로 전지모듈을 냉각시키기 때문에 다수의 전지모듈들에 대해 높은 냉각 균일성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들의 배열 방향이 상이한 구조의 전지모듈들을 포함하도록 구성함으로써, 전지팩의 크기, 형상 및 구조를 보다 다양하게 구성할 수 있으며, 이에 따라, 자동차와 같은 디바이스 내에서, 전지팩의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있고, 전지팩의 용량 대비 부피를 최소화할 수 있어, 디바이스의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있으며, 제한된 공간에서, 전지팩에 대한 수리 또는 점검을 보다 용이하게 수행할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 시스템의 사시도들이다;
도 3은 냉매 유입구 부위의 확대도이다;
도 4는 파이프 연결 부재와 냉매 파이프들의 연결 부위를 확대한 모식도이다;
도 5는 또 다른 파이프 연결 부재와 또 다른 냉매 파이프들의 연결 부위를 확대한 모식도이다;
도 6 및 도 7는 냉각 플레이트의 확대도들이다;
도 8 및 도 9은 또 다른 냉각 플레이트의 확대도들이다;
도 10 및 도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 모식도들이다.
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 1 및 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 시스템의 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 냉매 유입구(102) 부위의 확대도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 냉각 시스템(100)은, 액상 냉매의 유입과 배출을 위한 냉매 유입구(102)와 냉매 배출구(104), 냉매 유입구(102)와 냉매 배출구(104)에 연통되어 있는 복수의 냉매 파이프들(131, 132, 140a, 140b, 142a, 142b, 150a, 150b, 152a, 152b, 154a, 154b, 156a, 156b), 둘 이상의 냉매 파이프들이 상호 연통되도록 이들 사이를 연결하는 파이프 연결부재들(160, 162, 164, 166) 및 일면에 전지모듈들이 탑재될 수 있는 복수의 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126)을 포함한다.
냉매 유입구(102)에는, 이를 통과하는 액상 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(170)가 설치되어 있다. 본 발명에서 액상 냉매는 예를 들어, 물(water), R-11, R-12, R-22, R-134A, R-407C 및 R-410A일 수 있다.
냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126)은, 3개의 냉각 플레이트들(122, 124, 126)이 측면 방향으로 나란히 배열된 집합체(120) 및 집합체(120)의 중심부와 대응되는 위치에서, 냉각 플레이트들(122, 124, 126)의 전방 방향에 배열되어 있는 제 1 냉각 플레이트(110)를 포함한다.
따라서, 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126)의 배열 구조는 전반적으로 'T'자 형상을 이루고 있다.
냉매 파이프들(131, 132, 140a, 140b, 142a, 142b, 150a, 150b, 152a, 152b, 154a, 154b, 156a, 156b)은, 냉매 유입구(102)에 연결되어 있는 제 1 냉매 파이프(131), 냉매 배출구(104)에 연결되어 있는 제 2 냉매 파이프(132), 서로에 대해 파이프 연결부재들(160, 162, 164, 166)과 연결된 구조로, 액상 냉매가 냉매 유입구(102)로부터 냉매 배출구(104)로 순환되도록 유도하는 복수의 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b) 및 파이프 연결부재들(160, 162, 164, 166)에 의해 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b)에 연결된 상태로, 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126)에 연결되어 있는 복수의 제 4 냉매 파이프들(150a, 150b, 152a, 152b, 154a, 154b, 156a, 156b)을 포함한다.
냉매 유입구(102)와 냉매 배출구(104)는, 제 1 냉매 파이프(131)와 제 2 냉매 파이프(132)에 연결된 상태로, 제 1 냉각 플레이트(110)의 전방에서 나란히 위치되어 있다.
제 3 냉매 파이프(140a)는 파이프 연결부재(160)에 의해 제 1 냉매 파이프(131)와 연결되어 있다. 제 3 냉매 파이프(140b)는 파이프 연결부재(162)에 의해 제 2 냉매 파이프(132)와 연결되어 있다.
이들 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b)은 제 1 냉각 플레이트(110)의 측면을 따라 배열되어 있다.
측면을 따라 배열된 한 쌍의 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b)은 또 다른 파이프 연결부재들(164, 166)에 의해 제 1 냉각 플레이트(110)와 집합체(120) 사이에서 또 다른 제 3 냉매 파이프들(142a, 142b)과 연결되어 있다.
즉, 본 발명에서 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b)은 파이프 연결부재들(160, 162, 164, 166)에 의해 상호 결합되면서 액상 냉매의 전반적인 순환을 유도하도록 구성되어 있다.
또한, 제 3 냉매 파이프들 중, 일부(140a, 140b)가 제 1 냉매 파이프(131)와 제 2 냉매 파이프(132)에 연결되면서 냉매 유입구(102)와 냉매 배출구(104)는 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b) 전체와 연통되어 있다.
제 4 냉매 파이프들(150a, 150b, 152a, 152b, 154a, 154b, 156a, 156b)은 액상 냉매가 순환되는 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b)과 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126) 사이에서 이들을 연결하는 파이프로서, 냉각 플레이트 당, 한 쌍의 제 4 냉매 파이프들이 연결되어 있고, 한 쌍의 제 4 냉매 파이프들은 서로 다른 제 3 냉매 파이프들에 각각 연결되어 있다.
이를 제 1 냉각 플레이트(110) 기준으로 설명하면, 한 쌍의 제 4 냉매 파이프들(150a, 150b) 중 하나(150a)가 제 3 냉매 파이프(140a)로부터 액상 냉매를 제 1 냉각 플레이트(110)로 유도하고, 나머지 제 4 냉매 파이프(140b)는 액상 냉매를 제 1 냉각 플레이트(110)로부터 또 다른 제 3 냉매 파이프(140b)로 유도하도록 구성되어 있다. 이러한 구조는 모든 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126)에서 동일하다.
따라서, 제 4 냉매 파이프들(150a, 150b)은 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b) 전체와 연통되어 있고, 결과적으로 냉매 유입구(102)와 냉매 배출구(104)에 연통되어 있다.
제 1 냉매 파이프(131)는 액상 냉매의 대량 유입과 제 3 냉매 파이프(140a)에서 액상 냉매가 가속되도록, 제 3 냉매 파이프(140a) 대비 상대적으로 큰 내경을 가지며, 이는 제 2 냉매 파이프(132)도 동일하다.
또한, 제 3 냉매 파이프들(140a, 140b, 142a, 142b)은 제 4 냉매 파이프들(150a, 150b, 152a, 152b, 154a, 154b, 156a, 156b) 대비 상대적으로 큰 내경을 가진다.
도 4와 도 5에는 파이프 연결부재들의 구조가 모식적으로 도시되어 있다. 파이프 연결부재들의 구조는 설명의 편의를 위하여, 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프에 연결된 파이프 연결부재들을 예를 들어 설명한다.
먼저 도 4를 참조하면, 파이프 연결부재(160)는 단부가 냉매 파이프들의 내부에 삽입된 상태로 냉매 파이프들을 상호 연결하는 제 1 연결관(180), 제 2 연결관(182) 및 제 3 연결관(184)을 포함한다.
제 1 연결관(180)은 제 1 냉매 파이프(131)의 단부에서, 제 1 냉매 파이프(131)의 내측에 억지끼움 방식으로 삽입되어 있다.
또한, 제 1 냉매 파이프(131)는 파이프 연결부재(160)의 제 1 연결관(180)에 삽입된 상태에서, 클램핑 부재(192)가 제 1 냉매 파이프(131)의 단부를 감싸는 구조로 파이프 연결부재(160)에 공고히 결합될 수 있다.
제 2 연결관(182)은 제 3 냉매 파이프(140a)의 단부에서, 제 3 냉매 파이프(140a)의 내측에 억지끼움 방식으로 삽입되어 있으며, 이 상태에서 제 3 냉매 파이프(140a)가 열 및 수축 결합방식으로, 그것의 단부가 제 2 연결관(182)을 감싸는 구조로 결합되어 있다. 도면에 별도로 도시하지는 않았지만, 클램핑 부재 등의 바인딩 부재가 이들의 결합부위를 더 고정시킬 수도 있다.
제 3 연결관(184)은 제 4 냉매 파이프(150a)의 단부에서, 제 4 냉매 파이프(150a)의 내측에 억지끼움 방식으로 삽입되어 있다.
또한, 제 4 냉매 파이프(150a)는 파이프 연결부재(160)의 제 3 연결관(184)에 삽입된 상태에서, 클램핑 부재(193)가 제 4 냉매 파이프(150a)의 단부를 감싸는 구조로 파이프 연결부재(160)에 공고히 결합될 수 있다.
여기서, 제 1 냉매 파이프(131)와 제 1 연결관(180)을 연속적으로 경유하여 액상 냉매가 파이프 연결부재(160)에 도달하면, 제 2 연결관(182)과 제 3 연결관(184)으로 액상 냉매의 유동 방향이 분할되며, 구체적으로, 제 3 냉매 파이프(131)로 유동하는 제 1 액상 스트림(191; stream); 및 제 4 냉매 파이프(150a)로 유동하는 제 2 액상 스트림(192)으로 분할된다.
또한, 연결관들(180, 182, 184)의 내경은 제 1 연결관(180), 제 2 연결관(182), 제 3 연결관(184) 순으로 크게 구성되어 있다.
따라서, 연결관들(180, 182, 184)의 내경으로 인하여 제 1 연결관(180)으로부터 제 2 연결관(182)으로 유동하는 제 1 액상 스트림(191)의 유속은 가속되고, 제 1 연결관(180)으로부터 제 3 연결관(184)으로 유동하는 제 2 액상 스트림(192)의 유속은 가속된다.
이러한 파이프 연결부재(160)의 구조는 제 2 냉매 파이프(132)에 연결된 파이프 연결부재(도 5의 162)도 동일하다.
다만, 제 2 냉매 파이프(132)에 연결된 파이프 연결부재(162)에서는 액상 냉매가 냉매 배출구(104) 방향으로 유동하기 때문에, 또 다른 제 3 냉매 파이프(140b)를 통해 유동하는 제 1 액상 스트림(191a)과, 또 다른 제 4 냉매 파이프(150b)를 유동하는 제 2 액상 스트림(192b)이 파이프 연결부재(162) 내에서 서로 규합되며, 이와 같이, 규합된 액상 냉매는 제 2 냉매 파이프(132) 및 냉매 배출구(104)를 통해 배출된다.
앞서 설명한 파이프 연결부재들(160, 162)을 제외한 나머지 파이프 연결부재들(164, 166)은 냉매 파이프들이 연결되는 개수에 대응하도록 연결관의 개수가 상이한 것을 제외하면 그 구조가 실질적으로 동일하다.
또한, 액상 냉매의 흐름이 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프로 분할되는 구조와 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프로부터의 액상 냉매 흐름이 서로 규합되는 구조 또한 모든 파이프 연결부재(160, 162, 164, 166)에서 동일하다.
도 6 내지 도 9에는 냉각 플레이트(124)의 모식도가 도시되어 있다.
먼저 도 6 및 도 7을 참조하면, 냉각 플레이트(124)는 복수의 돌기부들(222, 224, 226)이 형성되어 있는 베이스 플레이트(220) 및 돌기부들에 밀착된 상태로 베이스 플레이트(220)에 결합되어 돌기부들(222, 224, 226)을 제외한 나머지 공간에 유로(230)를 형성하는 커버 플레이트(210)를 포함한다.
즉, 냉각 플레이트(124)는, 돌기부와 베이스 플레이트(220)가 설정하는 공간이 액상 냉매의 유동을 위한 유로(230)로 설정된 구조로 이루어져 있다.
커버 플레이트(210)에는 전지모듈과의 사이에서 보다 효율적인 열전도가 이루어질 수 있도록, 전지모듈과 밀착되는 표면에 열전도를 촉진하기 위한 열전도 패드(212)가 부가되어 있다.
베이스 플레이트(220)에는, 전지모듈을 제외한 외부로부터 유로(230) 내부로열이 유입되는 것을 차단하기 위하여, 돌기부들이 형성된 면의 대향 면에 단열재(228)가 부가되어 있다.
또한, 베이스 플레이트(220)와 커버 플레이트(210)는 나사와 볼트의 결합에 의해 체결되어 있다.
한편, 돌기부들(222, 224, 226)은 베이스 플레이트(220)의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라 돌출된 구조의 제 1 돌기부들(222, 224) 및 제 1 돌기부들(222, 224)의 사이에서 베이스 플레이트(220)의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라 돌출된 구조의 제 2 돌기부(226)를 포함한다.
제 1 돌기부들(222, 224)은 제 2 돌기부(226) 보다 상대적으로 짧은 길이로 이루어져 있다. 본 발명에서는 이와 같이 베이스 플레이트(220)상에 독립적으로 돌출된 제 1 돌기부들(222, 224)의 구조를 비연속적인 형상이라 정의한다. 반면에, 베이스 플레이트(220)의 단부로부터 연장된 형상의 제 2 돌기부는 연속적인 형상이라 정의한다.
이러한 구조에 기반하여, 제 1 돌기부들(222, 224)에 의해 액상 냉매의 흐름이 불규칙적으로 분할되면서 액상 냉매가 더욱 빠르게 확산되는 동시에, 흐름이 분할되는 부위에 와류가 발생하면서 액상 냉매의 유속이 증가할 수 있다.
제 1 돌기부들(222, 224)은 또한 액상 냉매에 대한 유체저항을 감소시키기 위해 전반적으로 유선형 구조로 이루어질 수 있다.
이와 같이 분할 확산된 액상 냉매는 상대적으로 긴 길이를 가지는 제 2 돌기부(226)를 따라 유동하며, 제 2 돌기부(226)의 단부 부위에서 액상 냉매의 유동 방향이 대략 180도로 변경된다.
이러한 구조는, 냉각 플레이트(124)의 한정된 중공형 유로(230) 내에서 액상 냉매는 유동 거리를 증가시켜 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
냉각 플레이트(124)는 또한, 내부의 중공형 유로(230)에 연통되어 있는 제 1 도관(201) 및 제 2 도관(202)이 냉각 플레이트(124)의 외측으로 돌출된 구조로 이루어져 있다.
여기서, 제 1 도관(201)에는 액상 냉매의 수령을 위한 제 4 냉매 파이프(154a)가 각각 연결되어 있고, 제 2 도관(202)에는 액상 냉매의 배출을 위한 제 4 냉매 파이프(154b)이 각각 연결되어 있다.
따라서, 액상 냉매의 제 2 액상 스트림들은, 제 4 냉매 파이프(154a)과 이에 연결된 제 1 도관(201)을 통해 냉각 플레이트(124)의 중공형 유로(230)에 유입된 후, 중공형 유로(230)를 경유하면서 냉각을 수행한다.
이후, 제 2 도관(202)과 이에 연결된 제 4 냉매 파이프(154b)를 통해 냉각 플레이트(124)들의 외부로 배출된다.
이 상태에서, 배출된 제 2 액상 스트림이 제 2 도관(202)들에 연결된 제 4 냉매 파이프(154b)를 통해 파이프 연결부재(도 2의 164)로 유도되고, 파이프 연결부재(164)에 연결된 제 3 냉매 파이프(도 1의 142b)의 제 1 액상 스트림에 규합된다. 이와 같이, 규합된 액상 냉매는 제 2 냉매 파이프(132) 및 냉매 배출구(104)를 통해 배출될 수 있다.
상기한 액상 냉매의 냉각 과정과 유동 흐름은, 모든 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126)에서 동일하다.
도 8 및 도 9에는 도 6 및 도 7 보다 상대적으로 넓은 냉각 면적을 가지는 냉각 플레이트가 도시되어 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 냉각 플레이트(122)는 도 6 및 도 7에 도시된 냉각 플레이트(124)와 대비 대략 200% 의 면적으로 이루어져 있다.
즉, 냉각 플레이트(122)의 기본적인 구조는 도 6 및 도 7에 도시된 냉각 플레이트(124)와 유사하지만, 이들의 크기가 상이할 뿐만 아니라, 도 9에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(250)에 형성된 돌기부들(251, 252)의 크기와 형태가 상이하다.
구체적으로, 냉각 플레이트(122)의 돌기부들(251, 252)은 베이스 플레이트(250)의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라 비연속적으로 돌출된 구조의 제 1 돌기부들(251) 및 제 1 돌기부들(251)의 사이에서 베이스 플레이트(250)의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라 연속적으로 돌출된 구조의 제 2 돌기부들(252)을 포함한다.
이러한 구조는, 액상 냉매가 제 1 돌기부들(251)의 비연속적인 구간에서 분할되면서 비규칙적인 흐름으로 와류(vortex)되며, 확산성과 유속이 향상될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 시스템(100)은, 전지모듈이 탑재되는 냉각 플레이트들에 냉매 유로가 형성되어 있으므로, 별도의 냉매 유로를 전지모듈들 사이나 전지셀들 사이에 장착한 구조와 비교하여 구조가 콤팩트할 뿐만 아니라, 분할된 액상 냉매가 각각의 냉각 플레이트들에서 독립적으로 전지모듈을 냉각시키기 때문에 다수의 전지모듈들에 대해 높은 냉각 균일성을 확보할 수 있다.
한편, 도 10에는 도 1 내지 도 9에 도시된 냉각 시스템(100)을 포함하는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 일부의 모식도가 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 전체 모식도가 도시되어 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 전지팩은 냉각 시스템(100), 복수의 전지셀들이 배열되어 있으며, 상기 냉각 시스템(100)의 냉각 플레이트들(110, 122, 124, 126) 상에 밀착된 상태로 각각 안착되어 있는 복수의 전지모듈들(321, 322, 323, 324), 전지모듈들(321, 322, 323, 324)과 냉각 시스템(100)이 상면에 탑재되는 하부 하우징(310) 및 전지모듈들(321, 322, 323, 324)과 냉각 시스템(100)이 외부로부터 격리되도록, 하부 하우징(310)의 외주변에 결합되는 상부 하우징(390)을 포함한다.
하부 하우징(310)은 평면상으로 각각 직사각형 구조로 이루어진 제 1 하부 하우징(311) 및 제 2 하부 하우징(312)으로 구성되어 있으며, 제 2 하부 하우징(312)은 제 1 하부 하우징(311)의 외주변들 중에서 상대적으로 긴 길이를 갖는 일측 외주변의 중앙 부위에 연결되어 있다.
하부 하우징(310)의 외주변에는 결합부재를 통해 커버 부재와 결합되는 복수의 제 1 체결공(313)과 전지팩(300)을 디바이스에 장착 및 고정하기 위한 복수의 제 2 체결공(314)이 형성되어 있다.
전지모듈들(321, 322, 323, 324)은 제 1 전지모듈 어셈블리들(321, 322) 및 제 2 전지모듈 어셈블리들(323, 324)로 구분되어 있고, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리들(321, 322)에 속하는 전지셀들의 배열 방향과 제 2 전지모듈 어셈블리들(323, 324)에 속하는 전지셀들의 배열 방향이 서로 상이하고, 이들의 크기 또한 상이하다.
제 1 전지모듈 어셈블리들(321, 322)은 복수의 전지셀들이 배열된 하나의 단위모듈을 포함하며, 제 2 전지모듈 어셈블리들(323, 324)은 각각 3개의 단위모듈들(323a, 323b, 323c, 324a, 324b, 324c)이 인접 배열된 구조로 이루어져 있다.
도 11를 참조하면, 상부 하우징(390)은 전지모듈들(321, 322, 323, 324)을 내장한 상태로, 복수의 체결 부재(315)에 의해 하부 하우징(310)의 외주변에 결합되어 있다.
상부 하우징(390)의 외주면에는 강성을 보완하기 위한 다수의 비드(391)가 형성되어 있다.
따라서, 다양한 디바이스의 작동 환경에서, 외부로부터 인가되는 물리적 충격 내지 응력에 대해, 전지팩(300) 내의 전지모듈들(321, 322, 323, 324)을 보다 효과적으로 안전하게 보호할 수 있다.
상부 하우징(390)의 일 측면에는 내부의 가스를 배출하기 위한 벤팅부(393)가 형성되어 있다.
벤팅부(393)는 상부 하우징(390)의 일 측면에 천공된 관통 홀(393a)이 미세 다공성 가스 투과막(393b)에 의해 덮여 있는 구조로 이루어져 있다.
매뉴얼 서비스 디바이스(341) 및 퓨즈 박스에 대응하는 위치에서 상부 하우징(390)의 부위에는 개구(392)가 형성되어 있으며, 매뉴얼 서비스 디바이스(341)는 상부 하우징(390)의 개구(392)를 통해 외부로 노출되어 있다.
따라서, 전지팩(300)에 대한 수리 또는 점검 시에 작업자는, 전지팩(300)의 상부 하우징(390)을 분해할 필요 없이, 상부 하우징(390)의 개구(392)를 통해 노출된 매뉴얼 서비스 디바이스(341) 및 퓨즈 박스에 의해 전지팩(300)의 전기적 연결을 단전시킬 수 있으며, 이에 따라, 상부 하우징(390)을 분리하는 경우 발생할 수 있는 전기적 안전 사고를 사전에 효과적으로 예방할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (29)

  1. 복수의 전지모듈들을 냉각시키는 시스템으로서,
    액상 냉매의 유입과 배출을 위한 냉매 유입구 및 냉매 배출구;
    냉매 유입구 또는 냉매 배출구에 연통되어 있는 복수의 냉매 파이프들;
    둘 이상의 냉매 파이프들이 상호 연통되도록 이들 사이를 연결하며, 연결된 냉매 파이프들 사이에서 액상 냉매의 흐름을 변경 내지 분할하는 하나 이상의 파이프 연결부재; 및
    냉매 파이프들 중에서 적어도 하나의 냉매 파이프에 연통되어 있는 중공형 유로를 포함하고 있고, 일면에 전지모듈이 탑재되며, 상기 중공형 유로를 통해 액상 냉매가 순환하는 복수의 냉각 플레이트들;
    을 포함하며,
    상기 액상 냉매는 파이프 연결부재에 의해 분할되면서 서로 다른 냉각 플레이트에 공급된 후 수령되며, 상기 분할된 액상 냉매의 열전도에 의해 냉각 플레이트를 통해 전지모듈을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 파이프들은,
    상기 냉매 유입구에 연결되어 있는 제 1 냉매 파이프;
    상기 냉매 배출구에 연결되어 있는 제 2 냉매 파이프;
    상기 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프 사이에서, 파이프 연결부재들에 의해 연결된 상태로, 제 1 냉매 파이프 및 제 2 냉매 파이프와 연통되는 복수의 제 3 냉매 파이프들; 및
    상기 파이프 연결부재에 의해 제 3 냉매 파이프에 연결된 상태로, 냉각 플레이트들의 유로에 연결되어 있는 복수의 제 4 냉매 파이프들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 파이프 연결부재들 중에서 적어도 하나는, 하나 이상의 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프에 연결된 상태로, 액상 냉매를 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프로 분할하여, 액상 냉매의 유동 방향을 조정하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 파이프 연결부재들 중에서 적어도 하나는, 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프에 연결된 상태로, 제 3 냉매 파이프와 제 4 냉매 파이프 각각으로 분할된 액상 냉매를 하나의 냉매 흐름으로 규합하여, 냉매의 유량을 조정하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 4 냉매 파이프들은 내경이 제 3 냉매 파이프들의 내경의 5% 내지 99% 크기인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프 각각의 내경이 제 3 냉매 파이프들의 내경의 101% 내지 200% 크기인 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 파이프 연결부재는, 단부가 냉매 파이프들의 내부에 삽입된 상태로 냉매 파이프들을 상호 연결하는 n개(n≥2)의 연결관들(connection conduit)을 포함하고, 상기 n이 3 이상일 때, 상기 연결관들 중에서 적어도 하나는 나머지 연결관들의 내경의 5% 내지 99% 크기인 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 냉매 파이프에서 유동하는 액상 냉매의 유량은 연결관들의 내경과 연결관들에 연결된 냉매 파이프의 내경에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 연결관들에 연결되는 냉매 파이프들 각각은 연결관의 직경 대비 70% 내지 100%의 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 파이프들 중에서 직선형의 냉매 파이프는 경직한 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 곡선형의 냉매 파이프는 유연한 고무 소재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 직선형의 냉매 파이프는 가열 및 수축 결합방식에 의해 단부가 파이프 연결부재를 감싸는 구조로 결합되어 있고, 상기 곡선형의 냉매 파이프는 클램핑 부재가 냉매 파이프의 단부를 감싸는 구조로 파이프 연결부재에 결합되어 있고 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트들 각각은 내부의 중공형 유로에 연통되어 있는 제 1 도관 및 제 2 도관이 냉각 플레이트의 외측으로 돌출된 구조로 이루어져 있고;
    상기 냉각 플레이트들의 제 1 도관에는 액상 냉매의 수령을 위한 제 4 냉매 파이프들이 각각 연결되어 있으며;
    상기 냉각 플레이트들의 제 2 도관에는 액상 냉매의 배출을 위한 제 4 냉매 파이프들이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은,
    냉매 유입구와 제 1 냉매 파이프를 통해 유입된 액상 냉매가, 파이프 연결부재를 경유하면서 제 3 냉매 파이프들로 유동하는 제 1 액상 스트림들(stream); 및
    제 4 냉매 파이프들로 유동하는 제 2 액상 스트림들;
    로 분할되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 액상 스트림들은, 제 4 냉매 파이프들과 이에 연결된 제 1 도관들을 통해 냉각 플레이트들 각각의 중공형 유로에 유입된 후, 상기 중공형 유로를 경유하여 제 2 도관들과 이에 연결된 제 4 냉매 파이프들을 통해 냉각 플레이트들의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 배출된 제 2 액상 스트림은, 제 2 도관들에 연결된 제 4 냉매 파이프를 통해 파이프 연결부재로 유도된 후, 상기 파이프 연결부재에 연결된 제 3 냉매 파이프의 제 1 액상 스트림에 규합되며, 상기 규합된 액상 냉매는 제 2 냉매 파이프 및 냉매 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  16. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트들 각각은,
    복수의 돌기부들이 형성되어 있는 베이스 플레이트; 및
    상기 돌기부들에 밀착된 상태로 베이스 플레이트에 결합되어 돌기부들을 제외한 나머지 공간에 유로를 형성하는 커버 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 돌기부들은,
    베이스 플레이트의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라 비연속적으로 돌출된 구조의 제 1 돌기부들; 및
    상기 제 1 돌기부들의 사이에서 베이스 플레이트의 일측 단부로부터 타측 단부 방향을 따라, 연속적으로 돌출된 구조의 제 2 돌기부들;
    을 포함하고,
    액상 냉매는 제 1 돌기부들의 비연속적인 구간에서 와류(vortex)되어 유속이 증가되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는, 돌기부들이 형성된 면의 대향 면에, 단열재가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 커버 플레이트는, 베이스 플레이트와 대면하는 면의 대향 면에, 전지모듈과의 접촉시 열전도 저항을 감소시키는 열전도 패드가 부가되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각 플레이트들 각각은,
    상기 커버 플레이트 상에 전지모듈이 안착되도록 구성되어 있고, 전지모듈의 열을 수령한 상태로, 중공형 유로를 유동하는 액상 냉매로의 열 전도에 의해 전지모듈을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  21. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각 시스템에서 적어도 하나의 냉각 플레이트의 면적은, 나머지 냉각 플레이트의 면적 대비 100% 내지 300%이며, 돌기부들의 크기와 형태가 상이한 것을 특징으로 냉각 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구 및/또는 냉매 배출구에는, 이들을 통과하는 액상 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  23. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은,
    N-1(N≥3) 개의 냉각 플레이트들이 측면 방향으로 나란히 배열된 집합체 구조로 이루어져 있고,
    상기 집합체의 중심부와 대응되는 위치에서, 상기 냉각 플레이트들의 전방 방향에 제 1 냉각 플레이트가 배열되어 있으며,
    상기 냉매 유입구와 냉매 배출구는, 제 1 냉매 파이프와 제 2 냉매 파이프에 연결된 상태로, 제 1 냉각 플레이트의 전방에서 나란히 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 제 3 냉매 파이프들의 일부는, 파이프 연결부재들에 의해 제 1 냉매 파이프 및 제 2 냉매 파이프와 연결된 상태로 제 1 냉각 플레이트의 측면을 따라 배열되어 있고;
    나머지 제 3 냉매 파이프들은 상기 측면을 따라 배열된 제 3 냉매 파이프들과 또 다른 파이프 연결부재에 의해 제 1 냉각 플레이트와 상기 집합체 사이에서 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 파이프 연결부재들에는 제 4 냉매 파이프들이 더 연결되어 있고, 상기 냉각 플레이트들은 상기 제 4 냉매 파이프들에 연결된 상태로, 냉매 유입구 또는 냉매 배출구에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 하나에 따른 냉각 시스템을 포함하는 전지팩으로서,
    각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있으며, 상기 냉각 시스템의 냉각 플레이트들 상에 밀착된 상태로 각각 안착되어 있는 전지모듈들;
    상기 전지모듈들과 냉각 시스템이 상면에 탑재되는 하부 하우징(bottom housing); 및
    상기 전지모듈들과 냉각 시스템이 외부로부터 격리되도록, 하부 하우징의 외주변에 결합되는 상부 하우징(top housing);
    를 포함하고 있고,
    상기 전지모듈들 중에서 적어도 하나 이상의 전지모듈은 전지셀들의 배열 방향이 다른 전지모듈과 상이한 것을 특징으로 하는 전지팩.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 제 1 전지모듈 어셈블리들 및 제 2 전지모듈 어셈블리들로 구분되어 있고, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리들에 속하는 전지셀들의 배열 방향과 제 2 전지모듈 어셈블리들에 속하는 전지셀들의 배열 방향이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전지팩.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 전지모듈 어셈블리는, 제 1 냉각 플레이트 및/또는 집합체의 중심부에 인접한 냉각 플레이트 상에 탑재되어 있고,
    상기 제 2 전지모듈 어셈블리는, 나머지 집합체의 냉각 플레이트 상에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  29. 제 26 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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