KR20180091579A - 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체는, 다수의 배터리 셀이 상호 인접 배열되어 하나의 배터리 모듈을 형성하는 배터리 셀 조립체; 상기 배터리 셀 조립체를 수용하는 내부 공간을 형성하여 상기 배터리 셀 조립체의 대면 또는 접촉을 통해 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 한 쌍의 카트리지; 및 상기 카트리지 양쪽에 배치하여 상기 배터리 셀 조립체와 상기 카트리지의 결합 상태를 지지하는 한 쌍의 엔드플레이트;를 포함한다.

Description

다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체{BATTERY MODULE ASSEMBLY HAVING MULTIPLE COOLING STRUCTURE}
본 발명은 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체에 관한 것으로, 구체적으로는 카트리지 내부에 배치되는 배터리 셀들로부터 발생하는 열을 외부로 방출하거나 냉각시키는 자연공냉, 간접공냉 및 간접수냉 구조에 대한 다중 냉각 구조를 일체로 구비함으로써 배터리 셀들 간의 온도 및 전압 편차를 줄일 수 있는, 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체에 관한 것이다.
하이브리드 또는 전기자동차(Electric Vehicle: EV)에 적용되는 배터리 모듈 조립체(Battery Module Assembly: BMA)는 복수 개의 배터리 셀이 적층된 셀 모듈 조립체를 결합하는 것에 의해 이루어질 수 있다.
일반적으로, 배터리 모듈 조립체는 셀 모듈 조립체를 하우징하기 위해 셀 모듈 조립체의 양측을 유지시키는 2개의 엔드플레이트(end plate)를 베이스 플레이트에 고정하는 구조를 가진다.
차량용 리튬이온 배터리는 다수의 단위 셀들이 직렬 혹은 병렬로 구성되어 있으며, 주행 중 충전/방전을 반복적으로 수행한다. 이러한 차량용 리튬이온 배터리는 충방전 과정에서 열이 발생하므로, 리튬이온 배터리의 특성상 온도에 따라 같은 양의 전류로 충전하더라도 단위 셀의 위치에 따른 온도 편차에 의해 단위 셀별로 전압 편차가 발생할 수 있다.
더욱이, 최근에는 친환경 자동차에 탑재되는 배터리 모듈 조립체는 부피, 에너지, 밀도가 개선됨으로서 소형화 및 경량화 구조로 개발되고 있다. 이로 인해 배터리 셀은 사양(specifications)이 높아지고, 이는 배터리 셀의 발열량 증가 요인이 되고 있다.
따라서, 배터리 셀에는 발생되는 열을 외부로 방출시키기 위한 냉각 구조가 구비될 필요가 있다. 즉, 친환경 자동차에 장착되는 배터리 모듈 조립체는 제품 성능 및 내구성 확보를 위한 냉각 방식이 채택되어 사용되고 있다. 배터리 모듈 조립체는 냉각 방식에 따라 직접 냉각 또는 간접 냉각의 냉각 구조가 구비될 수 있으며, 냉각 매체에 따라 공냉식(즉, 공기에 의한 냉각) 또는 수냉식(즉, 냉각수에 의한 냉각) 등이 적용될 수 있다.
이와 같이, 배터리 모듈 조립체의 냉각 방식은 소형화 및 경량화 구조를 구현하기 위해 반드시 고려되어야 할 중요한 요인 중 하나이다. 즉, 배터리 모듈 조립체는 냉각 방식에 따라 내부 공간의 설계와 구조가 달라질 수 있기 때문이다.
예를 들어, 직접 공냉 방식을 적용하여 배터리 셀 내부에 냉각 유로를 형성하는 경우를 가정하면, 배터리 셀 내부에 형성된 냉각 유로가 차지하는 내부 공간의 비중이 높아지고, 배터리 모듈 조립체의 전체적인 크기도 증가하는 것을 예상할 수 있다.
따라서, 배터리 모듈 조립체는 전체적인 사이즈의 증가를 고려하여 냉각 방식을 적용할 필요가 있다. 또한, 배터리 모듈 조립체는 단위 셀들 간의 온도/전압 편차를 해결할 수 있는 냉각 구조를 구현하는 냉각 방식이 필요하다. 아울러, 배터리 모듈 조립체는 형상이 단순하고 제품화가 용이한 냉각 구조를 구비함으로써 모듈 제작 비용을 줄이고 단순한 제작 공정으로 제작될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 카트리지 내부에 배치되는 배터리 셀들로부터 발생하는 열을 외부로 방출하거나 냉각시키는 자연공냉, 간접공냉 및 간접수냉 구조에 대한 다중 냉각 구조를 일체로 구비함으로써 배터리 셀들 간의 온도 및 전압 편차를 줄일 수 있는, 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 고용량 배터리 셀 발열량에 따라 자연 공냉 뿐만 아니라, 상/하면에 간접 공냉 및 간접 수냉을 결합하여 다중 냉각 구조의 확장이 가능할 뿐만 아니라 냉각 효율을 향상할 수 있는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체는, 다수의 배터리 셀이 상호 인접 배열되어 하나의 배터리 모듈을 형성하는 배터리 셀 조립체; 상기 배터리 셀 조립체를 수용하는 내부 공간을 형성하여 상기 배터리 셀 조립체의 대면 또는 접촉을 통해 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 한 쌍의 카트리지; 및 상기 카트리지 양쪽에 배치하여 상기 배터리 셀 조립체와 상기 카트리지의 결합 상태를 지지하는 한 쌍의 엔드플레이트;를 포함한다.
상기 카트리지는, 상기 배터리 셀 조립체를 수용하기 위한 하우징을 형성하는 프레임; 및 상기 프레임과 인서트 사출을 통해 상기 프레임의 상부와 하부 각각에 방열 면적과 상기 프레임의 중공에 벽면을 형성하는 냉각 플레이트;를 포함한다.
상기 냉각 플레이트는, 상기 프레임의 상부와 하부 각각에 방열 면적을 형성하는 상/하부 플레이트; 및 상기 상/하부 플레이트 각각의 일면에 수직으로 연결되는 수직 플레이트;를 포함하며, 상기 상/하부 플레이트와 상기 수직 플레이트는 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 열전달 경로를 형성한다.
상기 냉각 플레이트는, 상기 상부 플레이트, 상기 수직 플레이트, 상기 하부 플레이트의 연결을 통해 I형, ⊂형, ⊃형 중 어느 하나의 형태이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체는, 상기 카트리지의 상부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 히트싱크;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체는, 상기 카트리지의 하부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 냉각시키는 냉각 블록부;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체는, 상기 배터리 셀 조립체의 다수의 배터리 셀의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 과충전 방지부;를 더 포함한다.
상기 엔드플레이트 양자는, 상부와 하부에 하나 이상의 연결구멍이 형성되며, 상기 카트리지의 상부와 하부를 가로질러 상기 연결구멍에 양단이 체결되는 연결핀에 의해 결합된다.
상기 카트리지와 상기 엔드플레이트는, 하나의 결합 수단에 의해 체결된다.
상기 배터리 셀 조립체는, 다수의 배터리 셀 사이에 플라스틱 재질의 중간 플레이트를 하나씩 배치한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체는, 다수의 배터리 셀이 상호 인접 배열되어 하나의 배터리 모듈을 형성하는 배터리 셀 조립체; 상기 배터리 셀 조립체를 수용하는 내부 공간을 형성하여 상기 배터리 셀 조립체의 대면 또는 접촉을 통해 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 한 쌍의 카트리지; 상기 카트리지 양쪽에 배치하여 상기 배터리 셀 조립체와 상기 카트리지의 결합 상태를 지지하는 한 쌍의 엔드플레이트; 상기 카트리지의 상부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 히트싱크; 상기 카트리지의 하부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 냉각시키는 냉각 블록부; 및 상기 배터리 셀 조립체의 다수의 배터리 셀의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 과충전 방지부;를 포함한다.
본 발명은 카트리지 내부에 배치되는 배터리 셀들로부터 발생하는 열을 외부로 방출하거나 냉각시키는 자연공냉, 간접공냉 및 간접수냉 구조에 대한 다중 냉각 구조를 일체로 구비함으로써 배터리 셀들 간의 온도 및 전압 편차를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 전체적인 사이즈의 증가를 고려하여 냉각 방식을 적용하여, 배터리 모듈 조립체의 사이즈를 증가시키지 않으면서, 냉각 효율을 극대화시키는 냉각 구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 단위 셀들 간의 온도/전압 편차를 해결할 수 있는 냉각 구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 형상이 단순하고 제품화가 용이한 냉각 구조를 구비함으로써 모듈 제작 비용을 줄이고 단순한 제작 공정으로 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 친환경 자동차 배터리 모듈의 냉각 방식이며, 간접 공냉, 간접 수냉을 일체형 구조로 구성하여 공용 및 표준화 적용 가능한 구조이다.
또한, 본 발명은 고용량 배터리 셀 발열량에 따라 자연 공냉 뿐만 아니라, 상/하면에 간접 공냉 및 간접 수냉을 결합하여 다중 냉각 구조의 확장이 가능할 뿐만 아니라 냉각 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체에 대한 분해사시도,
도 2는 상기 도 1의 배터리 모듈 조립체가 조립된 상태를 나타낸 도면,
도 3은 상기 도 1의 카트리지를 나타낸 도면,
도 4a 내지 도 4c는 냉각 플레이트와 배터리 셀 조립체 간의 구성을 나타낸 예시도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체에 대한 분해사시도이고, 도 2는 상기 도 1의 배터리 모듈 조립체가 조립된 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 상기 도 1의 카트리지를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체(이하 "배터리 모듈 조립체"라 함, 100)는, 카트리지(cartridge) 내부에 배치되는 배터리 셀들로부터 발생하는 열을 외부로 방출하거나 냉각시키는 구조(여기서는 '냉각 구조'로 통칭함)를 구비하여 배터리 셀들 간의 온도 및 전압 편차를 줄일 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈 조립체(100)는 배터리 셀 조립체(10), 제1 카트리지(20), 제2 카트리지(30), 제1 엔드플레이트(40), 제2 엔드플레이트(50), 과충전 방지부(60), 히트싱크(70), 냉각 블록부(80)를 포함한다.
배터리 셀 조립체(10)는 다수의 배터리 셀(11)이 상호 인접 배열되어 하나의 배터리 모듈을 형성하며, 배터리 셀(11)의 셀 리드에 용접되는 버스바 단자(12)를 포함하여 구성된다.
각각의 배터리 셀(11)은 전기적으로 연결된 상태에서 전력을 저장하고 소요전력을 출력할 수 있다. 여기서, 이들 다수의 배터리 셀(11)의 셀 리드들은 직렬 또는 병렬의 리드 용접으로 서로 전기적으로 연결된다.
배터리 셀 조립체(10)는 배터리 셀(11) 사이에 플라스틱 재질의 중간 플레이트(미도시)를 하나씩 배치할 수 있다. 여기서, 중간 플레이트는 배터리 셀(11)의 전극 사이에 절연 격벽을 구성하게 함으로써 전기적 안전성을 제공할 수 있다.
배터리 셀(11)은 공간활용성을 고려하여 장방의 평판 형태로 이루어지는 예가 도시되나, 경우에 따라 다양한 종류와 형상이 선택되어 적용될 수 있다. 즉, 배터리 셀(11)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 하지만, 배터리 셀(11)은 전술한 바와 같이 최적의 공간 이용을 구현하기 위해 파우치형 셀로 구현되는 것이 바람직하다.
파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 커버 내에는 배터리 셀(11)의 전기적 구성 요소들이 배치될 수 있다. 그리고 파우치형 셀들은 높은 용량과 더불어 적은 중량을 갖는다. 그리고 파우치형 셀들의 에지들은 실링 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함할 수 있다. 부연하면, 실링 조인트는 배터리 셀(11)의 2개의 박막을 연결하고, 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함할 수 있다.
또한, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 포함할 수도 있다. 이처럼 배터리 셀(11)은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다.
전기 차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)는 서로 마주보며 결합하여 배터리 셀 조립체(10)를 내부에 수용하기 위한 내부 공간을 형성한다. 각각의 배터리 셀(11)들은 비교적 기계적 강도가 약하기 때문에 형상을 유지하면서 외부 충격에 의한 보호를 위해, 배터리 셀 조립체(10)로 형성된 후에 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)의 상호 결합에 의해 형성되는 내부 공간에 수납된다. 이처럼 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)는 배터리 셀 조립체(10)를 수용 가능한 하우징(housing)을 형성한다. 여기서, 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)는 후크 및 후크 걸림턱을 이용한 착탈식 결합 구조, 나사 결합 구조 등을 이용하여 용이하게 조립할 수 있다.
도 3을 참조하여 제1 카트리지(20)에 대해 구체적으로 설명한다. 제2 카트리지(30)는 제1 카트리지(20)와 대응되는 구성을 구비하므로, 제2 카트리지(30)의 설명은 제1 카트리지(20)의 설명으로 대신하기로 한다. 다만, 제1 카트리지(20)는 제1 프레임(21)과 제1 냉각 플레이트(22)를 구비하며, 제2 카트리지(30)는 제2 프레임(31)과 제2 냉각 플레이트(32)를 구비한다.
제1 카트리지(20)는 제1 프레임(21)과 제1 냉각 플레이트(22)를 구비하며, 제1 프레임(21)과 제1 냉각 플레이트(22)를 인서트 사출(insert injection)을 통해 결합하여 형성할 수 있다.
이때, 제1 프레임(21)은 제1 카트리지(20)의 하우징(housing)으로서, 4개의 단위 프레임(21a 내지 21d)이 일체로 형성된 사각형 구조이거나, 4개의 단위 프레임(21a 내지 21d) 각각의 모서리가 서로 연결된 사각 구조일 수 있다. 여기서, 4개의 단위 프레임(21a 내지 21d)은 배터리 셀 조립체(10)의 수용 공간을 고려하여 세로길이(L1)와 가로길이(L2)가 결정된다.
제1 프레임(21)은 4개의 단위 프레임(21a 내지 21d)에 의해 형성된 내부 공간에 배터리 셀 조립체(10)를 수납하기 위해, 4개의 단위 프레임(21a 내지 21d) 각각의 내측에 배터리 셀 조립체(10)를 지지하는 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)를 형성할 수 있다. 즉, 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)는 단위 프레임(21a 내지 21d)의 세로길이(L1)를 따라 형성된다. 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)는 단위 프레임(21a 내지 21d)의 세로길이(L1)의 시작 지점에서 중심 지점 사이에 형성할 수 있다.
구체적으로, 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)는 세로길이(L1)의 시작 지점에 형성되는 경우에 배터리 셀 조립체(10)의 수용 공간이 늘어날 수 있다(후술할 도 4a 참고). 반면에, 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)는 세로길이(L1)의 중심 지점에 형성되는 경우에 배터리 셀 조립체(10)의 수용 공간이 세로길이(L1)의 시작 지점에 형성되는 경우에 비해 줄지만 카트리지를 추가하여 내부 공간을 확장시킬 수 있다(후술할 도 4b 및 도 4c 참고).
제1 냉각 플레이트(22)는 배터리 셀 조립체(10)에 의해 발생된 열을 외부로 배출시키는 열전달 매체의 기능을 담당한다. 즉, 제1 냉각 플레이트(22)는 배터리 모듈 조립체(100)의 내부에서 발생된 열을 외부로 방출시키기 위한 열전달 경로를 형성한다.
구체적으로, 제1 냉각 플레이트(22)는 제1 프레임(21)에 인서트 사출을 통해 결합되어 제1 프레임(21)의 단위 프레임(21a 내지 21d)에 의해 형성되는 중공(23) 상에 위치하게 된다. 즉, 제1 냉각 플레이트(22)는 제1 프레임(21)의 단위 프레임(21a 내지 21d)에 의해 형성되는 중공(23)에 벽면을 형성한다. 여기서, 제1 냉각 플레이트(22)는 제1 프레임(21)과 인서트 사출 방식으로 조립할 때, 제1 프레임(21)의 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)의 두께(L)에 대해 가상의 중심선에 배치할 수 있다.
이러한 제1 냉각 플레이트(22)는 상부 플레이트(22a), 수직 플레이트(22b) 및 하부 플레이트(22c)를 포함하여 구성한다. 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c)는 서로 평행하게 마주보고, 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c) 각각의 일면은 수직 플레이트(22b)에 수직으로 연결된다. 수직 플레이트(22b)는 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)의 두께(d)에 대해 가상의 중심선 상에 벽면을 형성한다.
여기서, 제1 냉각 플레이트(22)는 상부 플레이트(22a), 수직 플레이트(22b), 하부 플레이트(22c)의 연결을 통해 I형, ⊂형, ⊃형 중 어느 하나의 형태를 나타낼 수 있으며, 압출 방식으로 일체형으로 형성될 수 있다. 여기서, 배터리 셀 조립체(10)로부터 발생된 열은 수직 플레이트(22b)로부터 상부 플레이트(22a) 또는 하부 플레이트(22c)를 통해 외부로 방출된다. 즉, 수직 플레이트(22b)로부터 상부 플레이트(22a) 또는 하부 플레이트(22c)에 해당하는 열전달 경로가 형성됨에 따라, 배터리 셀 조립체(10)로부터 발생된 열은 배터리 모듈 조립체(100)의 상부와 하부를 통해 방출된다.
제1 냉각 플레이트(22)는 열전도성 재질로 구성될 수 있다. 즉, 제1 냉각 플레이트(22)는 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각 플레이트(22)는 전체적으로 알루미늄이나 구리, 철과 같은 금속의 단일 속성 재질로 이루어지거나, 이들 중 적어도 하나의 합금 재질로 구성될 수 있다. 이처럼 제1 냉각 플레이트(22)는 배터리 셀 조립체(10)에서 발생된 열을 배터리 모듈 조립체(100)의 외부로 전달하는 역할을 담당한다.
한편, 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c)는 기본적으로 방열 면적을 형성하여 자연 공냉에 의한 열교환이 이루어질 수 있다. 더욱이, 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c)는 고용량 배터리 셀의 발열량에 대비하여 열교환의 효율을 높여 냉각 성능을 향상하기 위해, 히트싱크(70)와 냉각 블록부(80)를 구비할 수 있다. 즉, 상부 플레이트(22a)는 제1 프레임(21)의 상부측에 노출되어 히트싱크(70)에 연결되고, 하부 플레이트(22c)는 제1 프레임(21)의 하부측에 노출되어 냉각 블록부(80)에 연결된다. 수직 플레이트(22b)는 열이 발생하는 배터리 셀 조립체(10)에 대면하거나 접촉한다. 이 경우에 수직 플레이트(22b)는 배터리 셀 조립체(10)와 면대면으로 마주보는 경우에 복사(radiation)에 의해 열교환이 일어나고, 배터리 셀 조립체(10)와 면접촉하는 경우에 전도(conduction)에 의해 열교환이 일어난다. 제1 냉각 플레이트(22)는 수직 플레이트(22b)로부터 상부 플레이트(22a) 또는 하부 플레이트(22c)를 통해 외부로 열을 방출시키는 열전달 경로를 형성한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 조립체(100)는 제1 냉각 플레이트(20)에서 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c)를 자연 그대로 노출시킨 자연공냉, 상부 플레이트(22a)에 히트싱크(70)를 연결하는 간접공냉, 하부 플레이트(22c)에 냉각 블록부(80)를 연결하는 간접수냉 등과 같은 다중 냉각 구조를 구비하여 확장 가능한 공용 구조를 제공할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)는 서로 마주보며 내부에 배터리 셀 조립체(10)를 수용하기 위한 내부 공간을 형성한다. 여기서, 제1 카트리지(20)는 내부 공간이 형성되지 않은 반대면에 제1 엔드플레이트(40)가 대면하고, 제2 카트리지(30)는 내부 공간이 형성되지 않은 반대면에 제2 엔드플레이트(50)가 대면한다.
이처럼 제1 엔드플레이트(40)와 제2 엔드플레이트(50)는 제1 카트리지(20), 배터리 셀 조립체(10), 제2 카트리지(30)의 결합 상태를 외부에서 지지하여 외부 충격에 의한 제1 카트리지(20), 배터리 셀 조립체(10), 제2 카트리지(30)의 파손을 방지할 뿐만 아니라, 제1 카트리지(20), 배터리 셀 조립체(10), 제2 카트리지(30)의 강성을 보강할 수 있다.
이를 위해, 제1 엔드플레이트(40), 제1 카트리지(20), 제2 카트리지(30), 제2 엔드플레이트(50)는 하나의 볼트(bolt, 45b)와 너트(nut, 미도시)를 이용하여 한번에 체결할 수 있다. 제1 엔드플레이트(40), 제1 카트리지(20), 제2 카트리지(30), 제2 엔드플레이트(50) 각각은 하나의 볼트(45b)가 통과할 수 있는 볼트 연결홀(41, 23, 33, 51)을 구비한다. 도 1 및 도 2에서는 사각형의 모서리 부분에서 볼트(45b)와 너트를 이용하여 4군데를 결합하는 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같이, 제1 엔드플레이트(40), 제1 카트리지(20), 제2 카트리지(30), 제2 엔드플레이트(50)는 하나의 볼트(45b)와 너트를 이용하여 체결함에 따라, 각 구성요소에 대한 결합력을 향상시키고 각 구성요소의 정렬상태를 용이하게 맞춰서 조립할 수 있다. 여기서는 나사 방식, 리벳 방식 등도 가능하다.
또한, 제1 엔드플레이트(40)와 제2 엔드플레이트(50)는 연결핀(45a)을 이용하여 더욱더 견고하게 결합할 수 있다. 제1 엔드플레이트(40)와 제2 엔드플레이트(50) 각각은 연결핀(45a)의 결합을 위한 엔드플레이트 연결구멍(42, 52)을 상부와 하부에 형성한다. 즉, 각각의 연결핀(45a)은 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)가 결합된 상태에서 상부면 또는 하부면을 가로질러 엔드플레이트 연결구멍(42, 52)에 양단이 결합된다.
이 경우, 제1 카트리지(20)의 제1 냉각 플레이트(22)에서 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c)에는, 제1 엔드플레이트(40)와 제2 엔드플레이트(50)를 결합할 때 연결핀(45a)이 지나갈 수 있는 홈(22d)이 형성된다. 제2 카트리지(30)의 제2 냉각 플레이트(32)에서 상부 플레이트(32a)와 하부 플레이트(32c)도 마찬가지이다. 더욱이, 제1 카트리지(20)의 제1 냉각 플레이트(22)에서 상부 플레이트(22a)와 하부 플레이트(22c)의 두께는 연결핀(45a)의 두께와 동일한 것이 바람직하다.
또한, 제1 냉각 플레이트(22)와 연결핀(45a)의 재질은 동일하며, 연결핀(45a)은 제1 엔드플레이트(40)와 제2 엔드플레이트(50)의 열을 히트싱크(70) 또는 냉각 블록부(80)를 통해 외부로 배출시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 제1 엔드플레이트(40)와 제2 엔드플레이트(50)의 상부와 하부 각각에 2군씩 엔드플레이트 연결구멍(42, 52)을 형성한 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
과충전 방지부(60)는 제1 카트리지(20), 배터리 셀 조립체(10), 제2 카트리지(30)가 조립된 이후에 전면에 락킹 구조의 착탈식으로 체결될 수 있다. 과충전 방지부(60)는 배터리 셀 조립체(10)의 다수의 배터리 셀(11)에 대한 전압을 측정하기 위한 센싱회로를 포함할 수 있다. 과충전 방지부(60)는 배터리 셀 조립체(10)의 다수의 배터리 셀(11)의 과충전을 방지한다.
히트싱크(70)는 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)의 냉각 플레이트(22, 32)의 상부에 일면을 면접촉하여 열을 외부 공기중으로 방출시키며, 타면에 다수의 방열핀(71)을 형성하여 공기 접촉 면적을 확장시킨다.
히트싱크(70)는 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 히트싱크(70)는 전체적으로 알루미늄이나 구리, 철과 같은 금속의 단일 속성 재질로 이루어지거나, 이들 중 적어도 하나의 합금 재질로 구성될 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 히트싱크(70)를 통해 배터리 셀 조립체(10)의 열을 외부로 효과적으로 전달할 수 있다.
히트싱크(70)는 히트싱크 연결구멍(72)을 형성하여 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)와 나사 결합, 볼트-너트 결합, 리벳 결합 등으로 결합할 수 있다.
냉각 블록부(80)는 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)의 냉각 플레이트(22, 32)의 하부에 일면을 면접촉하여 열을 식히고, 타면을 지면에 맞닿아 배터리 모듈 조립체(100)를 지탱한다. 냉각 블록부(80)는 순환유로(81)를 형성하여 열교환을 위한 냉각수를 순환시킨다. 여기서, 순환유로(81)의 내부에는 공기나 물과 같은 냉매가 흐를 수 있다. 순환유로(81)는 공기나 물 등을 공급하는 냉매 공급부를 더 포함할 수 있다. 순환유로(81)는 공기나 물 등의 냉매가 흐르는 경로를 제공하기 위해, 덕트나 파이프와 같은 유로로 형성된다.
히트싱크(70) 및 냉각 블록부(80)는 제1 카트리지(20)와 제2 카트리지(30)의 상부 또는 하부에 접하는 부분을 판상으로 형성하여 열전도성 접착제를 이용하여 접착할 수 있다.
여기서, 열전도성 접착제는 일반적인 접착제에 비해 열전도율이 높기 때문에, 열 전달량 및 열 전달속도를 더욱 높일 수 있다. 열전도성 접착제는 열전도성 에폭시 접착제, 열전도성 실리콘 접착제 등 다양한 유기 및/또는 무기 열전도성 접착제가 채용될 수 있다. 열전도성 접착제는 양면 접착 테이프에 의해 대체될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 냉각 플레이트와 배터리 셀 조립체 간의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 4a 내지 도 4c에서는 설명의 편의상 다른 구성에 대해 생략하고, 냉각 플레이트(22,32)와 배터리 셀 조립체(10)에 대해서만 도시하여 설명하기로 한다.
도 4a는 상기 도 3에서 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)가 단위 프레임(21a 내지 21d)에서 세로길이(L1)의 중심 지점에서 형성되는 경우를 나타낸다. 이 경우에, 제1 제1 냉각 플레이트(22)는 전술한 바와 같이 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)의 형성 위치에 형성되는 것으로 볼 수 있다. 즉, 제1 카트리지(20)의 제1 제1 냉각 플레이트(22)와 제2 카트리지(30)의 제2 냉각 플레이트(32)는 서로 결합하여 형성하는 내부 공간(S1)에 배터리 셀 조립체(10)가 위치한다. 여기서는 배터리 셀 각각에 대해 제1 및 제2 냉각 플레이트(22, 32)가 접촉하여 배터리 셀 각각에 대한 열 평형 상태를 유지하는 것이 용이하다.
도 4b는 도 4a에서 냉각 플레이트(25)를 추가하여 배터리 셀 조립체(10)의 수용 공간을 확장하는 경우를 나타낸다. 이 경우에는 제1 및 제2 냉각 플레이트(22, 32)에 의해 형성되는 내부 공간(S2), 제2 및 제3 냉각 플레이트(32, 25)에 의해 형성되는 내부 공간(S3)이 각각 형성되는 것을 알 수 있다.
도 4c는 상기 도 3에서 조립체 지지부(21a-1 내지 21d-1)가 단위 프레임(21a 내지 21d)에서 세로길이(L1)의 시작 지점에서 형성되는 경우를 나타낸다. 이 경우에, 제1 카트리지(20)의 제1 제1 냉각 플레이트(22)와 제2 카트리지(30)의 제2 냉각 플레이트(32)는 서로 결합하여 형성하는 내부 공간(S4)에 배터리 셀 조립체(10)가 위치한다.
도 4c의 경우에는 배터리 셀 조립체(10)의 수용 공간이 늘어날 수 있으나, 가운데 부분의 배터리 셀의 경우에 제1 및 제2 냉각 플레이트(22, 32)에 의한 열전달이 아닌 엔드플레이트 연결핀에 의해 열전달이 일어날 수 있다.
도면에 도시되어 있지 않지만, 도 4a에서 제1 냉각 플레이트(22)의 좌측과 제2 냉각 플레이트(32)의 우측에 배터리 셀 조립체(10)를 추가로 배치할 수 있으며, 도 4b에서 제1 냉각 플레이트(22)의 좌측과 제3 냉각 플레이트(25)의 우측에 배터리 셀 조립체(10)를 추가로 배치할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 배터리 셀 조립체 11 : 배터리 셀
12 : 버스바 단자 20 : 제1 카트리지
21 : 제1 사각형 프레임 22 : 제1 냉각 플레이트
30 : 제2 카트리지 31 : 제2 사각형 프레임
32 : 제2 냉각 플레이트 40 : 제1 엔드플레이트
50 : 제2 엔드플레이트 60 : 과충전 방지부
70 : 히트싱크 80 : 냉각 블록부

Claims (11)

  1. 다수의 배터리 셀이 상호 인접 배열되어 하나의 배터리 모듈을 형성하는 배터리 셀 조립체;
    상기 배터리 셀 조립체를 수용하는 내부 공간을 형성하여 상기 배터리 셀 조립체의 대면 또는 접촉을 통해 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 한 쌍의 카트리지; 및
    상기 카트리지 양쪽에 배치하여 상기 배터리 셀 조립체와 상기 카트리지의 결합 상태를 지지하는 한 쌍의 엔드플레이트;
    를 포함하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카트리지는,
    상기 배터리 셀 조립체를 수용하기 위한 하우징을 형성하는 프레임; 및
    상기 프레임과 인서트 사출을 통해 상기 프레임의 상부와 하부 각각에 방열 면적과 상기 프레임의 중공에 벽면을 형성하는 냉각 플레이트;
    를 포함하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는,
    상기 프레임의 상부와 하부 각각에 방열 면적을 형성하는 상/하부 플레이트; 및
    상기 상/하부 플레이트 각각의 일면에 수직으로 연결되는 수직 플레이트;를 포함하며,
    상기 상/하부 플레이트와 상기 수직 플레이트는 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 열전달 경로를 형성하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는, 상기 상부 플레이트, 상기 수직 플레이트, 상기 하부 플레이트의 연결을 통해 I형, ⊂형, ⊃형 중 어느 하나의 형태인 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 카트리지의 상부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 히트싱크;
    를 더 포함하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 카트리지의 하부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 냉각시키는 냉각 블록부;
    를 더 포함하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 조립체의 다수의 배터리 셀의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 과충전 방지부;
    를 더 포함하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드플레이트 양자는, 상부와 하부에 하나 이상의 연결구멍이 형성되며, 상기 카트리지의 상부와 하부를 가로질러 상기 연결구멍에 양단이 체결되는 연결핀에 의해 결합되는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 카트리지와 상기 엔드플레이트는, 하나의 결합 수단에 의해 체결되는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 조립체는,
    다수의 배터리 셀 사이에 플라스틱 재질의 중간 플레이트를 하나씩 배치하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
  11. 다수의 배터리 셀이 상호 인접 배열되어 하나의 배터리 모듈을 형성하는 배터리 셀 조립체;
    상기 배터리 셀 조립체를 수용하는 내부 공간을 형성하여 상기 배터리 셀 조립체의 대면 또는 접촉을 통해 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 한 쌍의 카트리지;
    상기 카트리지 양쪽에 배치하여 상기 배터리 셀 조립체와 상기 카트리지의 결합 상태를 지지하는 한 쌍의 엔드플레이트;
    상기 카트리지의 상부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 외부로 배출시키는 히트싱크;
    상기 카트리지의 하부에 일면을 접촉시켜 상기 배터리 셀 조립체로부터 발생된 열을 냉각시키는 냉각 블록부; 및
    상기 배터리 셀 조립체의 다수의 배터리 셀의 전압을 측정하여 과충전을 방지하는 과충전 방지부;
    를 포함하는 다중 냉각 구조를 구비한 배터리 모듈 조립체.
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