KR20180010989A - 전지 시스템 - Google Patents

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KR20180010989A
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Abstract

본 발명은 전지 시스템에 관한 것으로, 병렬로 연결된 적어도 2개의 전지 셀을 포함하는 전지 서브 모듈과, 적어도 2개의 전지 서브 모듈이 직렬로 연결된 전지 모듈과 적어도 하나의 냉매 덕트를 포함하는 크로스빔을 포함한다. 전지 모듈은 적어도 하나의 전지 서브 모듈의 측면과 열적으로 결합되는 크로스빔과 기계적으로 결합된다. 바람직하게는, 전지 시스템은 복수의 전지 서브 모듈을 각각 포함하고, 복수의 크로스빔 중 어느 하나와 기계적으로 결합된 복수의 전지 모듈을 포함한다.

Description

전지 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 복수의 전지 서브 모듈을 포함하고, 복수의 크로스빔에 의해 지지되는 복수의 전지 모듈을 포함하는 전지 시스템에 관한 기술이다.
일차 전지는 단지 화학 에너지에서 전기 에너지로의 비가역적 변환이 일어나나, 이차 전지는 충전 및 방전을 반복할 수 있는 점에서 일차 전지와 다르다. 저 용량의 이차 전지는 소형 전자 기기, 예컨대 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 전원으로 사용되고, 고 용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차의 엔진용 전원 등으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이트를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다. 케이스는 이차 전지의 사용 목적, 실제 사용에 따라 원통형 또는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 전해질 용액은 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 이차 전지를 충전 및 방전시키기 위해 케이스에 주입된다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 필요로 하는 하이브리드 차량의 엔진에 전원을 공급하기 위해 복수의 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 고출력 이차 전지가 실현될 수 있도록 요구되는 전력의 양에 따라 전지 셀의 각 전극 단자를 연결함으로써 형성될 수 있다.
이러한 전지 모듈을 안전하게 사용하기 위해서는 이차 전지로부터 발생하는 열이 효율적으로 발산/방출/소멸될 필요가 있다. 만약 열이 불충분하게 발산/방출/소멸되는 경우 각각의 전지 셀 간에 온도 편차가 발생하고, 전지 모듈은 원하는 전력을 생성할 수 없다.
또한, 이차 전지로부터 발생한 열 때문에 전지의 내부 온도가 증가하는 경우 비정상적인 반응이 내부에서 발생하고, 이차 전지의 충전 또는 방전 성능이 저하되며, 이차 전지의 수명이 단축된다.
따라서, 전지로부터 발생한 열을 효율적으로 발산/방출/소멸시키기 위해 이차 전지 모듈을 냉각시키는 냉각 장치가 개발되고 있다. 냉각 장치는 전지 모듈의 표면에 열적으로 접촉되어야 하므로, 일반적으로 전지 모듈의 표면에 별도의 장치로 부착되거나 전지 모듈의 하우징에 집적된다.
전지 시스템의 에너지 밀도, 예컨대 전기 자동차의 구동 범위를 증가시키기 위해 복수의 전지 모듈이 적층될 수 있고, 하나의 전지 팩을 형성하기 위해 전기적으로 상호 연결된다. 멀티 레벨의 전지 팩과 같은 전지 모듈로부터 발생한 열을 효율적으로 발산/방출/소멸시키기 위해서는 전지 팩의 각 층에 냉각 장치가 포함될 수 있다. 이는 전지 시스템의 높이를 증가시키고, 패키지 공간을 증가시킨다.
복수의 전지 모듈의 냉매 분배 구조는 일반적으로 정상적인 사용이나 충돌 상황에서 기계적 안정성과 견고함을 약화시킨다. 이차 전지의 타입, 예컨대 리튬 이온 전지이고, 냉매의 타입, 예컨대 수용성 냉각제인 경우 냉매의 유출은 전지 모듈과 주변 구조물, 예컨대 전기 자동차에 심각한 손상을 줄 수 있다. 특히, 하나의 냉각 장치에 오류가 발생하면 냉각 장치들이 적층된 모든 전지 모듈은 파괴될 수 있다.
본 발명의 실시 예는 복수의 크로스빔에 의해 지지되고, 냉각될 수 있는 복수의 전지 모듈을 포함하는 전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전지 셀을 각각 포함하고, 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전지 서브 모듈을 포함하는 전지 모듈 및 상기 두 개의 전지 서브 모듈에 기계적으로 결합된 크로스빔을 포함하고, 상기 크로스빔은 적어도 하나의 냉매 덕트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 전지 서브 모듈의 측면에 열적으로 결합된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템은 복수의 이차 전지 셀들로 구성된 전지 서브모듈을 포함한다. 복수의 이차 전지 셀들은 nsmp 구조(여기서 n 셀들은 직렬 연결되어 있는 셀, m은 병렬 연결되어 있는 셀)로 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 전지 서브 모듈은 n개의 셀 전압에 대응하는 전압 및 m개의 셀 전류에 대응하는 전류를 제공한다. 바람직하게는, n은 적어도 2, 4, 6, 8, 10 또는 12이고, m은 적어도 1, 2, 3, 4 또는 5이다. 본 발명의 실시 예에서는 통상적으로 가능한 전지 모듈, 즉 12개의 전지 셀들이 전지 서브 모듈로서 사용될 수 있다. 각 전지 서브 모듈은 기계적으로 자기 지지(self-supporting)되고, 사전 조립될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템에서, 복수의 전지 서브 모듈은 전지 모듈, 즉 k개의 전지 서브 모듈이 직렬 연결되고, l개의 전지 서브 모듈들이 병렬 연결된 전지 모듈을 형성하기 위한 kslp 구조로 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 직렬 연결된 k개의 전지 서브모듈들의 전압에 대응하는 전압과 병렬 연결된 l개의 전지 서브모듈들의 전류에 대응하는 전류를 제공할 수 있다. 바람직하게, 하나의 전지 모듈의 모든 전지 서브 모듈은 직렬로 연결되고, k는 2 이상의 짝수일 수 있다.
또한, 전지 시스템은 전지 모듈, 즉i개의 전지 모듈이 직렬 연결되고, j개의 전지 모듈이 병렬 연결된 전지 모듈을 형성하기 위한 isjp 구조로 직렬 또는 병렬 연결된 복수의 전지 모듈로 구성될 수 있다. 따라서, 전지 시스템은 i개의 전지 모듈들의 전압에 대응하는 전압과 j개의 전지 모듈들의 전류들에 대응하는 전류를 제공할 수 있다. 바람직하게, 기계적으로 하나의 크로스빔에 결합된 모든 전지 모듈은 직렬 또는 병렬 연결되어 있고, 기계적으로 서로 다른 크로스빔에 연결된 전지 모듈들은 직렬 또는 병렬 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 각 전지 모듈은 기계적으로 하나의 크로스빔에 결합되어 있고, 전지 모듈과 크로스빔의 조합으로 자기 지지(self-supporting)된다. 각 크로스빔은 냉매 덕트, 바람직하게는 내부에 냉매 덕트를 포함하고, 각전지 모듈은 크로스빔에 결합되어 전지 모듈의 전지 서브 모듈의 측면이 크로스빔과 냉매 덕트에 열적으로 결합될 수 있다.
바람직하게, 전지 서브 모듈의 측면은 전기적인 단자들을 포함하는 전지 서브 모듈의 표면에 대해서 180도 이하의 각도, 특히 예각 또는 직각으로 전지 서브 모듈을 둘러싸는 표면이다.
따라서, 전지 시스템에서, 각 전지 서브모듈은 측면을 통해 크로스빔에 의해 냉각될 수 있다. 이에, 전지 셀들의 인접한 층 사이에 배치되는 냉각 장치들이 생략될 수 있다. 이로 인해, 전지 시스템의 높이는 감소되고, 누설된 냉매는 단지 한 개의 셀 층에만 영향을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템의 새로운 계층적 구조는 최저 계층 레벨인 전지 셀, 다음 상위 계층 레벨인 전지 서브 모듈, 전지 시스템의 마지막 형태인 다음 상위 계층 레벨의 전지 모듈을 제공한다. 본발명의 실시 예에 따른 전지 서브 모듈은 미리 조립될 수 있고, 기계적으로 자기 지지 될 수 있다.
전지 모듈은 전지 서브모듈로부터 미리 조립될 수 있고, 크로스빔에 의해 냉각될 수 있다. 따라서, 전지 시스템의 냉각을 위한 다양한 모듈 시스템은 실제 요구에 부합되는 전기적인 특징들과, 향상된 기계적 안정성을 가지는 전지 시스템을 간단하게 조립할 수 있는 기계적인 특징들을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예의 전지 시스템에 따라 크로스빔은 복수의 전지 모듈을 지지한다. 따라서, 복수의 전지 모듈들은 크로스빔에 의해 자기 지지될 수 있고, 크로스빔은 복수의 전지 모듈을 물리적으로 지지한다. 바람직하게, 각 전지 모듈은 크로스빔에 대해 대칭적으로 배열된 짝수개의 전지 서브 모듈을 포함하고, 크로스빔의 길이 방향으로 인접한 전지 모듈은 서로 접촉되거나 하나씩 띄엄띄엄 분리되어 있다. 기계적으로 다른 크로스빔에 결합된 전지 모듈들은 전기적으로 직렬 연결되어 있다. 기계적으로 동일한 크로스빔에 결합된 전지 모듈들은 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되어 있고, 바람직하게는 직렬 연결되어 있다.
각 전지 모듈 내의 2개의 전지 서브 모듈들은 그들의 측면 사이가 일정 거리, 바람직하게는 크로스빔의 너비와 실질적으로 동일하게 이격되어 배열되어 있다. 따라서, 크로스빔은전지 모듈의 전지 서브 모듈의 2개의 측면 사이의 공간에 맞게 들어간다. 바람직하게, 크로스빔은 2개의 전지 서브모듈 사이에 배치되고, 2개의 전지 서브모듈 각각의 일측면에 접촉된다.
바람직하게, 전지 시스템은 복수의 전지 서브 모듈, 복수의 전지 모듈 및 복수의 크로스빔을 포함하고, 각 전지 모듈은 크로스빔에 기계적으로 결합되고, 다른 전지 모듈에 직렬 또는 병렬 연결된다. 각 전지 서브 모듈은 크로스빔에 열적으로 결합된 적어도 하나의 측면을 포함한다.
다시 말해, 본 발명의 실시 예는 직렬 연결된 n개의 이차 전지 셀 및 병렬 연결된 m개의 이차 전지 셀을 각각 포함하는 복수의 전지 서브 모듈을 포함하고, 직렬 연결된 k개의 전지 서브 모듈과 병렬 연결된 l개의 전지 서브 모듈을 각각 포함하는 복수의 전지 모듈을 포함하고, 적어도 하나의 냉매 덕트를 각각 포함하는 복수의 크로스빔을 포함하고, 각 전지 모듈은 기계적으로 적어도 하나의 크로스빔에 결합되고, 다른 크로스빔에 결합된 전지 모듈은 직렬 또는 병렬 연결된다. 각 크로스빔은 적어도 2개의 전지 모듈에 기계적으로 결합될 수 있다.
전지 시스템은 2개의 전지 서브 모듈의 너비에 대응하는 2개의 크로스 빔 사이에 공간을 더 포함한다. 바람직하게, 전지 서브 모듈은 크로스빔에 대하여 대칭적으로 배열된다. 본 발명의 실시 예에서, 각 전지 서브 모듈은 일 표면을 통해 하나의 크로스빔에 접촉된다. 따라서, 전지 시스템 내의 전지 셀의 패키징 밀도는 더 증가할 수 있다. 더 바람직하게는, 각 전지 모듈은 2개의 전지 서브 모듈을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템에서 각 전지 모듈은 짝수개의 전지 서브 모듈을 포함하고, 각 크로스빔은 2개의 전지 서브 모듈 사이에 배치된다. 본 발명의 실시 예에서, 각 크로스빔은 적어도 2개의 전지 모듈의 한 쌍 사이를 통과하고, 적어도 2개의 전지 서브 모듈의 측면과 열적으로 결합된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템에서, 각 전지 서브 모듈은 제1 측면과 제1 측면보다 작은 제2 측면을 포함하고, 각 전지 서브 모듈은 크로스빔과 열적으로 결합되는 제1 측면을 포함한다. 다시 말해, 각 전지 서브 모듈은 크로스빔의 길이 방향과 실질적으로 평행하게 정렬된 길이 방향을 갖는다. 따라서, 접촉 영역, 전지 서브 모듈과 크로스빔 사이의 열적 접촉이 증가하고, 전지 서브 모듈의 냉각이 향상된다. 바람직하게, 크로스빔의 높이는 크로스빔과 열적으로 접촉된 전지 서브모듈의 제1 측면의 높이와 동일하거나 더 높을 수 있다. 따라서, 크로스빔과 전지 서브 모듈 사이의 접촉 영역을 최대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템에서, 이차 전지 셀은 평면 형상, 예컨대 각기둥형 또는 직사각형이며, 크로스빔에 접촉되는 길이 방향의 확장에 실질적으로 수직한 방향으로 최대로 연장될 수 있다. 다시 말해, 각전지 서브 모듈은 접촉되는 크로스빔의 길이 방향의 확장에 실질적으로 평행한 적층 방향을 갖는 적어도 하나의 스택, 바람직하게는 적어도 2개의 스택을 포함한다. 이로 인해, 전지 시스템의 전지 셀의 패키징 밀도는 더 증가된다.
각 전지 서브 모듈은 서로 또는 적층된 전지 셀을 고정하는 측면, 상면 및 전면 플레이트가 상호 연결된 모듈 프레임을 포함한다. 모듈 프레임은 자기 지지된 전지 서브 모듈에 기계적인 안정성을 제공한다. 하나의 전지 모듈의 전지 서브 모듈들 사이의 기계적이고 전기적인 연결은 단일 연결 구성 요소로 통합될 수 있다.
연결 요소는 바람직하게는 각 전지 서브 모듈의 모듈 프레임에 기계적으로 결합되고, 전지 서브모듈의 전지 셀들의 전기 단자에 연결될 수 있다. 연결 요소는 전지 모듈을 크로스빔에 기계적으로 결합시킬 수 있다. 복수의 전지 서브 모듈은 연결 요소로 미리 조립될 수 있다. 바람직하게, 각전지 모듈은 적어도 2개의 전지 서브 모듈을 연결하는 셀 접속부로 형성된 연결 요소를 포함하고, 적어도 2개의 모듈 프레임에 기계적으로 결합될 수 있다. 셀 연결부는 전지 셀의 단자 그룹에 연결되는 전기적인 접촉을 형성하기 위해 금속 표면을 갖는 절연 물질의 실질적으로 평탄한 층을 포함할 수 있고, 이는 전지 시스템의 높이를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템에 있어서, 하나 또는 그 이상의 전지 모듈, 바람직하게2개의 전지 모듈은 단일의 셀 감시 회로(CSC)에 연결되어 있다. CSC는 전지 셀의 수명을 증가시키기 위한 것으로, 각 전지 셀의 전압 및/또는 전류를 밸런싱하기 위해 전지 서브모듈의 각 전지 셀의 전압 및/또는 전류를 감시하고, 제어한다. CSC는 예컨대, 2개의 셀 감시 칩을 포함하고, 각 셀 감시 칩은 12개의 측정 및 제어 입/출력을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템은 프레임과 바닥 플레이트를 포함하는 하우징을 포함한다. 프레임은 2개의 길이 방향의 프레임 빔과 2개의 프레임 크로스빔으로 형성될 수 있고, 기계적으로 결합, 예컨대 용접되어 바닥 플레이트에 연결될 수 있다.
크로스빔은 제1 프레임 빔, 즉 제1 길이 방향 프레임 빔 및 제1 프레임 빔에 대향하는 제2 프레임 빔에 기계적, 예컨대 나사로 결합될 수 있다.
크로스빔은 적어도 하나의 전지 모듈, 바람직하게는 적어도 2개의 전지 서브모듈을 각각 포함하는 복수의 전지 모듈이 크로스빔에 조립된 이후에 하우징에 조립될 수 있다.
본 발명의 전지 모듈에서, 프레임 빔, 바닥 플레이트, 크로스빔의 다양한 사이즈는 전지 시스템에 전지 서브 모듈의 측면으로부터 내부 냉각을 갖는 모듈 시스템을 제공하기 위해 미리 조립되는 전지 모듈에 결합될 수 있다. 따라서, 가능한 패키징 사이즈는, 예컨대 전기 자동차에서 최적으로 사용될 수 있다.
바람직하게, 제1 및 제2 프레임 빔, 즉 프레임 빔은 크로스빔에 기계적으로 결합되고, 크로스빔의(내부) 냉매 덕트에 유동적으로 결합되는 냉매 분배 라인을 포함한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따라 전지 시스템에는 냉매 공급 라인과 냉매 복귀 라인이 제공된다. 냉매 분배 라인들은 바람직하게 냉매 포트, 즉 냉매 유입구(inlet) 과 냉매 배출구(outlet)를 포함하고, 전지 시스템의 하우징 외부의 냉매 파이프와 결합된다.
본 발명의 다른 실시 예는 상기에서 설명한 전지 시스템을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 발명은 복수의 크로스빔에 의해 지지되고, 냉각될 수 있는 복수의 전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 서브 모듈의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전지 서브 모듈의 분해도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 모듈의 사시도.
도 4A 및 도 4B는 본 발명의 실시 예에 따른 전지 모듈의 개략적인 평면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 빔에 연결된 세 개의 전지 모듈의 사시도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 빔에 결합 된 하나의 전지 모듈의 상세도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 하우징에 장착 된 복수의 크로스 빔의 사시도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 냉매 회로의 사시도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템의 사시도.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템의 개략적인 평면도.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
*명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전지 서브 모듈의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 서브 모듈(100)은 대체적으로 평면 형상이고, 일 방향으로 정렬된 복수의 전지 셀(10)을 포함하며, 각 전지 셀(10)은 평탄한 측면들을 가진다.
한 쌍의 모듈 전면 플레이트(18)는 전지 셀(10)들의 전면과 마주하도록 위치한다. 예를 들어, 한 쌍의 모듈 전면 플레이트(18)는 전지 셀(10)들 중 최외각에 위치하는 전지 셀들의 최외각 표면과 각각 마주하도록 위치한다. 모듈 전면 플레이트(18)는 전지 셀(10)들의 측면들과 마주하는 한 쌍의 모듈 측면 플레이트(19)에 기계적으로 결합되어 있다. 예를 들어, 한 쌍의 모듈 측면 플레이트(19)는 전지 셀(10)들의 서로 대향하는 측면들과 각각 마주하도록 위치한다. 이로 인해, 복수의 전지 셀(10)은 서로 고정된다.
전지 서브 모듈(100)은 모듈 측면 플레이트(19)에 대응하는 제1 측면(16)과, 모듈 전면 플레이트(18)에 대응하고 제1 측면(16) 보다 짧은 제2 측면(17)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전지 서브 모듈(100)은 모듈 전면 플레이트(18) 및 모듈 측면 플레이트(19)에 기계적으로 결합된 한 쌍의 모듈 상부 플레이트(14)를 더 포함할 수 있다. 이러한 모듈 전면 플레이트(18), 모듈 측면 플레이트(19) 및 모듈 상부 플레이트(14)는 전지 서브 모듈(100)의 독립형(Self-supporting) 본체를 구성할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 각 전지 셀(10)은 각기둥(또는 사각형) 셀이고, 전지 셀(10)들은 전지 서브 모듈(100)을 형성하기 위해 전지 셀(10)들의 넓고 평탄한 면들이 서로 마주하도록 적층된다. 각 전지 셀(10)은 전극 조립체와 전해액을 수용하는 전지 케이스를 포함한다. 전지 케이스는 밀봉되어 포장되고, 서로 다른 극성을 갖는 음극 단자(11) 및 양극 단자(12)와, 벤트(15)가 설치되어 있다. 벤트(15)는 전지 셀(10) 내부에서 생성되는 가스를 밖으로 배출시키는 통로 역할을 수행하는 전지 셀(10)의 안전 수단이다. 각 전지 셀(10)들 사이, 또는 최외각 전지 셀(10)과 모듈 전면 플레이트(18) 사이의 불필요한 전기적 접촉을 방지하기 위해, 절연 호일(13)이 인접한 전지 셀(10)들 사이 또는 최외각 전지 셀(10)과 모듈 전면 플레이트(18) 사이에 배치된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전지 셀(10)들은 전지 모듈(200)의 일부를 구성하는 셀 접속부(24)를 이용하여 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 셀 접속부(Cell Connection Unit; CCU)(24)는 두 개의 전지 서브 모듈(100)의 모듈 상부 플레이트(14) 및 모듈 측면 플레이트(19)에 기계적으로 결합되어 있고, 음극 모듈 단자(21) 및 양극 모듈 단자(22), 그리고 복수의 전도성 부재(23)를 형성하는 구리 금속을 포함한다.
전도성 부재(23)는 서로 이격되어 있고, 이로 인해 두 개의 전도성 부재(23) 사이의 전기적 접촉은 전지 셀(10)을 통해 이루어진다. 전도성 부재(23)는 전지 셀(10)의 음극 단자(11) 또는 양극 단자(12)에 접촉하여 각 전지 서브 모듈(100)의 4개의 전지 셀(10)들을 동시에 병렬 연결함으로써 4개의 전지 셀(10)의 번들을 형성하고, 각각 4개의 전지 셀(10)로 이루어진 전지 셀 번들들을 서로 직렬 연결 시킨다. 셀 접속부(24)는 첫번째 전지 서브모듈(100)의 4개의 전지 셀(10)의 번들과 두번째 전지 서브 모듈(100)의 4개의 전지 셀(10)의 번들을 연결함으로써 2개의 전지 서브 모듈(100)을 직렬로 연결한다.
도 3, 도 4A 및 도 4B를 참조하면, 전지 모듈(200)은 4p3s 구성을 가지는 두 개의 전지 서브 모듈(100)들을 포함한다. 즉, 각전지 서브 모듈(100)에서 4개의 전지 셀(10)은 병렬로 연결되어 하나의 전지 셀 번들을 형성하고, 3개의 전지 셀 번들들은 직렬로 연결된다. 따라서, 최종 전지 모듈(200)은 4p6s 구성을 포함한다. 이와 같이 형성된 전지 모듈(200)은 6개의 전지 셀(10)의 전압이 더해지고, 4개의 전지 셀(10)의 전류가 더해져서 전력원으로 사용될 수 있다. 전지 모듈(200)은 하나의 전지 셀(10)에 비해 24배의 전력을 출력할 수 있다. 예를 들어, 전지 모듈(200)은 약3.648V의 전압을 갖는 각각의 전지 셀(10)들을 이용하여 약 21.89V의 전압을 제공할 수 있다.
도 3, 도 4A 및 도 4B를 참조하면, 전지 모듈(200)은 전지 모듈(200)의 모듈 단자(21, 22)를 포함한다. 모듈 단자(21, 22)들은 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 모듈(200)의 일측 전면에 배치될 수 있다. 다른 실시 예에서는 도 4A에 도시된 바와 같이, 모듈 단자(21, 22)들은 전지 모듈(200)의 일측 전면에 대응하는 전도성 부재(23)의 연장 방향을 따라 배치될 수 있다. 또 다른 실시 예에서는 도 4B에 도시된 바와 같이 전지 모듈(200)의 양 측면에 수직한 방향으로 양 측면에 각각 배치될 수도 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에 따라, 3개의 전지 모듈(200)은 하나의 크로스 빔(30)에 기계적으로 결합될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 전지 서브 모듈(100)은 그들의 상면 측에서 셀 접속부(24)를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 크로스빔(30)은 전지 모듈(200)의 저부 측으로부터 전지 서브 모듈(100)들 사이의 공간에 삽입되어, 전지 모듈(200)에 기계적으로 결합된다. 따라서, 전지 서브 모듈(100) 각각은 크로스빔(30)에 의해 기계적으로 지지된다.
전지 모듈(200)과 크로스빔(30) 간의 기계적인 결합은 전지 모듈(200)의 하부 측면들 및 크로스빔(30)에 부착되는 고정 수단을 사용하거나, 셀 접속부(24)의 대응하는 부분에 삽입되는 크로스빔(30)의 부착 수단에 의해 구현된다.
도 6에 자세히 도시된 바와 같이, 크로스빔(30)은 크로스빔(30)의 전체 길이를 따라 관통하는 2개의 냉매 덕트(31)를 포함한다. 냉매 덕트(31)는 압출 성형된 알루미늄 크로스빔(30)의 모체(matrix) 내에 용접된 강철 파이프로 형성된다. 다른 실시 예에서, 냉매 덕트(31)는 크로스빔(30) 내의 일정 공간에 삽입된 밀폐형(encapsulated) 파이프 라인으로 형성될 수 있다.
또한, 전지 서브 모듈(100) 각각은 모듈 측면 플레이트(19)에 대응하는 제1 측면(16)과, 모듈 전면 플레이트(18)에 대응하는 제2 측면(17)을 포함하고, 제2 측면(17)은 제1 측면(16)보다 더 짧다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전지 서브 모듈(100) 각각의 제1 측면 전체가 크로스빔(30)에 열적으로 접촉되도록 제1 측면의 높이는 크로스빔(30)의 높이와 동일하다.
도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 크로스빔(30)은 전지 셀(10)의 음극 및 양극 단자(11, 12)를 포함하는 상면과 수직한 제1 측면(16)에 접촉될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 크로스빔(30)은 제1 측면(16)과 같이 동일한 높이를 가지고, 모듈 측면 플레이트(19)의 길이 방향에 실질적으로 평행한 세로 방향으로 연장된다.
도 7에 도시된 본 발명의 실시 예에 따라, 크로스빔(30)은 전지 시스템(미도시)을 위한 하우징에 기계적으로 결합될 수 있다. 하우징은 프레임에 용접된 알루미늄 바닥 플레이트(41)를 포함하고, 프레임은 두 개의 길이 방향으로 압출된 알루미늄 프레임 빔(42a, 42b)과 두 개의 압출된 알루미늄 프레임 크로스빔(43a, 43b)을 포함한다. 제1 길이방향 프레임 빔(42a)은 제2 길이방향 프레임 빔(42b)과 마주하고, 제1 프레임 크로스빔(43a)은 제2 프레임 크로스빔(43b)과 마주한다. 이에 따라, 프레임 빔들(42a, 42b, 43a, 43b)은 사각형 프레임을 구성한다.
크로스빔(30)은 나사 및/또는 스냅 핏 부착 장치(snap fit attaching means)를 이용하여 프레임에 장착된다. 도시하지는 않았지만, 크로스빔(30)이 하우징에 장착되기 이전에, 크로스빔(30)은 복수의 전지 모듈(200)에 결합된다. 크로스빔(30)들 간에는 공간이 형성되고, 전지 서브 모듈(미도시)들이 그 내부에 삽입된다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 길이 방향 프레임 빔(42a)은 내부 냉매 공급 라인(45)을 포함하고, 제2 길이 방향 프레임 빔(42b)은 내부 냉매 반환 라인(46)을 포함한다. 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 냉매 공급 라인(45) 및 냉매 반환 라인(46) 각각은 하우징 외부의 냉매 파이프(미도시)를 연결하기 위한 냉매 포트(44)를 포함한다.
크로스빔(30)은 내부에 냉매 덕트(31)를 포함하고 길이 방향 프레임 빔(42a, 42b)과 기계적으로 결합하여, 냉매 덕트(31)가 냉매 공급 라인(45) 및 냉매 반환 라인(46)과 유동적으로 결합된다.
도 9는 도 7 및 8에 도시된 하우징을 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 전지 시스템(400)을 도시하고, 전지 시스템(400)은 도 5에 도시된 바와 같이, 크로스빔(30)에 각각 부착된 3개의 전지 모듈(200)을 포함하는 6개의 크로스빔(30)을 포함한다.
크로스빔(30)의 양 측면의 공간들에는 도 1 및 도 2에 따른 전지 서브모듈(100)이 배치되어, 각 전지 서브 모듈(100)의 제1 측면(16)은 하나의 크로스빔(30)의 측면에 직접 열적으로 결합된다. 이에, 냉매 포트(44) 및 길이 방향 프레임 빔(42a, 42b)을 통해 크로스빔(30)으로 분배된 냉매는, 전지 서브 모듈(100)의 전지 셀들(10)에 의해 발생된 열을 흡수한다. 각 전지 서브 모듈(100)의 측면을 통해 전지 셀(10)들을 냉각시킴으로써, 바닥 플레이트(41) 내의 냉각 수단은 생략될 수 있고, 이로 인해 전지 시스템의 높이가 감소될 수 있다. 예를 들어, 전지 시스템의 높이가 약 100mm 정도 감소될 수 있다.
도 9 및 10에 따른 하우징 내에 배치된 전지 서브 모듈(100) 내에서 전지 셀들(10)은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 연결되고, 전지 모듈(M6)의 음극 모듈 단자(21)와 전지 모듈(M7)의 양극 모듈 단자(22)는 버스 바(47)를 통해 전기적으로 연결되고, 전지 모듈(M1)의 일 단자는 제1 E/E 박스(Electrical/Electronic box) (49a)에 전기적으로 연결되어 있다. 제2 열의 전지 모듈(M7-M12)들 중 전지 모듈(M12)은 제3 열의 전지 모듈(200)들 중 대응하는 전지 서브 모듈(M13)에 버스 바(49)를 통해 전기적으로 연결된다.
제1 내지 제3 열 전지 모듈(M1-M6, M7-M12, M13-M18)들에서, 인접한 두 전지 모듈은 전도성 레일 부재들(48)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있고, 제3 열의 전지 모듈(M13-M18)들 중 전지 모듈(M18)은 제2 E/E 박스(49b)에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 도 9 및 10에 도시된 전지 시스템(400)은 18개의 전지 모듈(200)이 직렬 연결되어 있고, 각 전지 모듈(200)은 4p3s 구조를 각각 갖고, 직렬 연결된 2개의 전지 서브모듈(100)을 포함한다.
이에, 제1 및 제2 E/E 박스(49a, 49b) 사이에는 18개의 전지 모듈이 직렬 연결되어 있고, 각전지 모듈(M1-M18)은 약 21.89V의 전압이므로, 전지 시스템(400)은 약 394V(21.89V*18)의 전압을 가진다.
전지 시스템(400)의 전압 및 전류를 제어하기 위해, 제1 및/또는 제2 E/E 박스(49)는 전지 관리 유닛(BMU), 고전압 커넥터, 입력 퓨즈, 릴레이, 전류 센서, 전자기 호환성 필터(electromagnetic compatibility filter EMC-Filter), 프리차지 릴레이, 저항, HV 인터페이스를 포함할 수 있다. 전지 시스템(400)은 전류를 측정하고, 각 전지 셀(10)의 제어, 특히 전지 시스템(400)의 전지 셀(10)들의 전압 및/또는 전류를 밸런싱하기 위한 8개의 셀 감시 회로(cell supervision circuits CSC)를 더 포함할 수 있다. 각 CSC(50)는 2개의 CSC 칩(미도시)을 포함하고, CSC칩 각각은 12개의 측정 및 제어 입력을 포함할 수 있다. 따라서, 2개의 전지 모듈(200) 또는 48개의 전지 셀(10)을 제어하기 위한 CSC(50)는 1개면 충분하다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 전지 셀, 11: 음극 단자, 12: 양극 단자, 13: 절연 호일, 14: 모듈 상부 플레이트, 15: ,벤트 16: 제1 측면, 17: 제2 측면, 18: 모듈 전면 플레이트, 19: 모듈 측면 플레이트, 100: 전지 서브 모듈, 21: 음극 모듈 단자, 22: 양극 모듈 단자, 23: 전도성 부재, 24: 셀 접속부, 200: 전지 모듈, 30, 크로스빔, 31: 냉매 덕트, 41: 바닥 플레이트, 42: 길이 방향 프레임 빔, 43, 43a, 43b: 프레임 크로스빔, 44: 냉매 포트, 45: 냉매 공급 라인, 46: 냉매 반환 라인, 47, 49: 버스 바, 48: 전도성 레일 부재, 49a, 49b: E/E 박스, 50: 셀 감시 회로

Claims (10)

  1. 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전지 셀을 각각 포함하는 전지 서브 모듈;
    전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 적어도 두 개의 전지 서브 모듈을 포함하는 전지 모듈; 및
    상기 두 개의 전지 서브 모듈에 기계적으로 결합된 크로스빔을 포함하고,
    상기 크로스빔은,
    적어도 하나의 냉매 덕트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 전지 서브 모듈의 측면에 열적으로 결합되는 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전지 서브 모듈의 측면들은 상기 크로스빔의 폭에 대응하는 거리만큼 이격되어 배치되고,
    상기 크로스빔은 두 개의 상기 전지 서브 모듈 각각의 적어도 하나의 측면에 접촉되는 전지 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전지 시스템은
    복수의 상기 전지 모듈 및 상기 크로스빔을 포함하고,
    상기 크로스빔 각각은 적어도 두 개의 전지 모듈에 기계적으로 결합되고,
    상기 복수의 전지 모듈은 직렬 또는 병렬 적으로 연결된 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 2개의 크로스빔 사이의 공간은 상기 2개의 전지 서브 모듈의 너비에 대응하는 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전지 서브 모듈 각각은 제1 측면, 상기 제1 측면보다 짧은 길이의 제2 측면을 포함하고,
    상기 전지 서브 모듈은 상기 크로스빔에 열적으로 결합된 상기 제1 측면을 포함하는 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 평면 형상을 가지고, 상기 크로스빔의 길이 방향과 수직한 방향으로 최대 치수를 가지는 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지 서브 모듈 각각은 모듈 프레임을 포함하고,
    상기 전지 서브 모듈 각각은 적어도 2개의 상기 전지 서브 모듈에 결합되고, 적어도 2개의 상기 모듈 프레임에 기계적으로결합된 셀 접속부를 포함하는 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 전지 모듈은 독립적으로 셀 감시 회로에 연결된 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지 시스템은
    제1 프레임 빔, 제2 프레임 빔, 및 상기 제1 프레임 빔과 상기 제2 프레임 빔 사이에 위치하여 결합된 적어도 하나의 프레임 크로스빔을 포함하는 프레임을 갖는 하우징 및
    상기 프레임에 기계적으로 결합된 바닥 플레이트를 더 포함하고,
    상기 크로스빔은,
    상기 제1 프레임 빔 및 상기 제2 프레임 빔에 기계적으로결합된 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    냉매 분배 라인이 상기 제1 및 제2 프레임 빔 내에 집적되어 있고, 상기 냉매 덕트에 유동적으로 결합되어 있는 전지 시스템.
KR1020170089715A 2016-07-21 2017-07-14 전지 시스템 KR102029407B1 (ko)

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