KR20180105465A - 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체들, 복수 개의 배터리 셀 조립체들을 수용하는 바텀 케이스, 바텀 케이스의 상측에 장착되며, 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 상측 일부분, 전방 일부분 및 후방 일부분을 노출시키는 어퍼 케이스 및 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 노출된 일부분을 커버하며, 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 냉각을 위한 상변화물질을 구비하는 냉각유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차{BATTERY MODULE, BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지가 좁은 공간에 밀집되는 형태로 제조되기 때문에, 각 이차전지에서 발생되는 열을 용이하게 방출하는 것이 중요하다. 이차전지 배터리의 충전 또는 방전의 과정은 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로, 충방전 과정에서 발생한 배터리 모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리 모듈의 열화가 촉진되고, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 고출력 대용량의 배터리 모듈 및 그것이 장착된 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각장치가 반드시 필요하다.
일반적으로 냉각장치에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 이차전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 있다.
하나의 이차전지 셀에 의해 생산할 수 있는 전력은 크지 않으므로 상용화된 배터리 모듈은 일반적으로 모듈 케이스 내에 복수 개의 배터리 셀들을 필요한 수 만큼 적층시켜 패키징한다. 그리고 개개의 배터리 셀에서 전기가 생산되는 과정에서 발생된 열을 냉각시켜 이차전지의 온도를 적정하게 유지하기 위해 배터리 셀들 중간 중간에 냉각수 유입을 위한 복수 개의 냉각 튜브들을 삽입하며, 냉각 튜브들로의 냉각수 공급을 원활히 하기 위한 배터리 모듈에 냉각 펌프들을 장착시킨다.
그러나, 이러한 종래 수냉식 방식의 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈에서는, 냉각수를 위한 냉각 튜브들 및 냉각 펌프 등으로 인해 배터리 모듈에서 배터리 셀들의 용적률이 감소하는 문제가 있다. 즉, 배터리 모듈의 에너지 밀도가 저하되는 문제가 있다.
아울러, 이러한 종래 수냉식 방식의 배터리 모듈에서는, 이러한 냉각 튜브들 및 냉각 펌프 등의 장착을 위한 설계 자체가 어려운 문제가 있다.
그러므로, 에너지 밀도를 향상시킴과 아울러 보다 간편한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
따라서, 본 발명의 목적은 에너지 밀도를 향상시킴과 아울러 보다 간편한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 모듈로서, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체들; 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들을 수용하는 바텀 케이스; 상기 바텀 케이스의 상측에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 상측 일부분, 전방 일부분 및 후방 일부분을 노출시키는 어퍼 케이스; 및 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 노출된 일부분을 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 냉각을 위한 상변화물질을 구비하는 냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 냉각유닛은, 상기 어퍼 케이스에 삽입되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 노출된 일부분과 접촉되는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임의 상측에 수용되는 상기 상변화물질; 및 상기 상변화물질을 밀폐시킬 수 있게 상기 베이스 프레임의 상측에 장착되는 커버 프레임;을 포함할 수 있다.
상기 베이스 프레임은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 상측 일부분을 커버하며, 상기 상변화물질을 수용하기 위한 수용홈을 구비하는 베이스 바디; 상기 베이스 바디의 양단부에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 전방 일부분 및 후방 일부분을 커버하는 베이스 브릿지; 및 상기 베이스 브릿지 사이에 구비되며, 마주 하는 배터리 셀 조립체들을 구획하는 구획 브릿지;를 포함할 수 있다.
상기 구획 브릿지는, 상기 마주 하는 배터리 셀 조립체들 사이에 배치되며, 상기 마주 하는 배터리 셀 조립체들과 접촉될 수 있다.
상기 커버 프레임은, 상기 어퍼 케이스의 전후 방향을 따라 소정 길이로 돌출될 수 있다.
상기 냉각 유닛은, 복수 개로 구비되며, 상기 복수 개의 냉각 유닛들은, 상기 어퍼 케이스의 좌우 방향을 따라 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들은, 상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들을 커버하는 셀 하우징; 상기 셀 하우징의 전방 및 후방에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 버스바들; 및 상기 한 쌍의 버스바들에 각각 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 열전달을 위한 한 쌍의 열전도 패드들;을 포함할 수 있다.
각각의 배터리 셀은, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 전후 방향과 나란한 수평 방향에서 눕혀져 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들은, 원통형 이차 전지로 구비될 수 있다.
상기 셀 하우징은, 상기 복수 개의 배터리 셀들을 전방을 커버하는 전방 하우징; 상기 복수 개의 배터리 셀들의 후방을 커버하는 후방 하우징; 및 상기 전방 하우징과 상기 후방 하우징 사이에서 상기 복수 개의 배터리 셀들을 커버하는 바디 하우징;을 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 버스바들은, 각각, 상기 전방 하우징 및 상기 후방 하우징에 장착될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 상기 적어도 하나의 배터리 모듈이 슬라이딩 삽입되는 케이스 빔;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 케이스 빔에는, 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 냉각시킬 수 있는 냉각수가 유동하는 냉각 유로;가 구비될 수 있다.
상기 냉각 유닛은, 상기 냉각 유로 가까이에서 상기 케이스 빔에 접촉 배치될 수 있다.
아울러, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차을 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 에너지 밀도를 향상시킴과 아울러 보다 간편한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩에서 케이스 빔의 일부 빔 베이스를 제외한 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 배터리 셀 조립체의 사시도이다.
도 6은 도 5의 배터리 셀 조립체의 분해 사시도이다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈의 냉각 유닛의 사시도이다.
도 8은 도 7의 냉각 유닛의 단면도이다.
도 9는 도 7의 냉각 유닛의 베이스 바디의 사시도이다.
도 10은 도 1의 배터리 팩의 냉각을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 팩에서 케이스 빔의 일부 빔 베이스를 제외한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 팩(1)은, 자동차의 연료원으로써, 자동차에 구비될 수 있다. 예로써, 상기 배터리 팩(1)은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 기타 배터리 팩(1)을 연료원으로써 이용할 수 있는 기타 다른 방식으로 자동차에 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(1)은 상기 자동차 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이러한 상기 배터리 팩(1)은, 케이스 빔(10) 및 배터리 모듈(50)을 포함할 수 있다.
상기 케이스 빔(10)은 상기 배터리 팩(1)의 외관을 형성하며, 후술하는 적어도 하나의 배터리 모듈(50)을 수용할 수 있다. 여기서, 후술하는 적어도 하나의 배터리 모듈(50)은 상기 케이스 빔(10)에 슬라이딩 삽입을 통해 장착될 수 있다. 이러한 슬라이딩 삽입에 대해서는 하기 관련 설명에서 보다 자세히 살펴 본다.
상기 케이스 빔(10)은, 빔 베이스(12) 및 빔 브릿지(14)를 포함할 수 있다.
상기 빔 베이스(12)는 상기 케이스 빔(10)의 전후 방향을 따라 길게 형성되며, 한 쌍으로 구비되어 상호 좌우 방향으로 소정 길이 이격 배치될 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 빔 베이스들(12)의 내부에는 후술하는 빔 브릿지(14)와 같이 냉각수가 유동하는 냉각 유로(15)가 구비될 수 있다.
상기 빔 브릿지(14)는 상기 한 쌍의 빔 베이스들(12)을 연결하며, 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 빔 브릿지들(14)은 상기 케이스 빔(10)의 전후 방향으로 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
상기 복수 개의 빔 브릿지들(14) 사이에는 후술하는 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 복수 개의 배터리 모듈들(50)이 슬라이딩 삽입 장착될 수 있다. 다시 말해, 각각의 배터리 모듈(50)은 각각의 빔 브릿지(14) 사이에서 좌우 방향을 따라 슬라이딩되어 각각의 빔 브릿지(14) 사이에 고정 장착될 수 있다.
각각의 빔 브릿지(14)에는 냉각 유로(15)가 형성될 수 있다.
상기 냉각 유로(15)는 상기 빔 브릿지(14)의 길이 방향을 따라 형성되며, 후술하는 적어도 하나의 배터리 모듈(50)의 전후에 배치될 수 있다. 아울러, 상기 냉각 유로(15)는 상기 빔 베이스(12)에도 구비되기에, 상기 배터리 모듈(50)을 둘러싸면서 배치될 수 있다.
이러한 상기 냉각 유로(15)에는 후술하는 적어도 하나의 배터리 모듈(50)을 냉각시킬 수 있는 냉각수가 유동할 수 있다. 상기 냉각수는 상기 케이스 빔(10)에 별도로 장착되거나 또는 상기 케이스 빔(10)에 일체로 장착될 수 있는 냉각수 순환유닛(미도시)으로부터 순환 공급될 수 있다.
상기 배터리 모듈(50)은 적어도 하나, 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 상기 배터리 모듈(50)이 복수 개로 구비된 것으로 한정하여 설명한다. 이러한 상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)은 상기 케이스 빔(10)에 슬라이딩 삽입 장착될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)의 장착 과정을 보다 구체적으로 살펴 보면, 먼저, 작업자 등은 상기 케이스 빔(10)의 어느 하나의 빔 베이스(12)와 상기 복수 개의 빔 브릿지들(14)을 결합시킬 수 있다.
이후, 상기 작업자 등은 상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)을 상기 복수 개의 빔 브릿지들(14) 사이에 슬라이딩 삽입시켜 상기 복수 개의 빔 브릿지들(14) 사이에 배치시킬 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)의 슬라이딩 삽입이 완료되면, 상기 작업자 등은 상기 케이스 빔(10)의 나머지 하나의 빔 베이스(12)를 장착시켜 상기 케이스 빔(10)에 상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)을 패키징할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는 상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)이 상기 케이스 빔(10)에 별도의 볼팅 구조 없이 슬라이딩 삽입 만으로 장착될 수 있기에, 상기 배터리 팩(1)의 제조 효율이 현저히 상승할 수 있다.
이하에서는, 이러한 상기 복수 개의 배터리 모듈들(50)에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 3의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 각각의 배터리 모듈(50)은, 배터리 셀 조립체(100), 바텀 케이스(200), 어퍼 케이스(300) 및 냉각유닛(500)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀 조립체(100)는 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 상기 배터리 셀 조립체(100)가 복수 개로 구비된 것으로 한정하여 설명한다.
이하, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)에 대해서는 하기 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 자세히 살펴 본다.
도 5는 도 4의 배터리 모듈의 배터리 셀 조립체의 사시도이며, 도 6은 도 5의 배터리 셀 조립체의 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 각각의 배터리 셀 조립체(100)는, 배터리 셀(110), 셀 하우징(130), 한 쌍의 버스바들(150) 및 한 쌍의 열전도 패드들(170)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(110)은 원통형 이차 전지로 구비될 수 있으며, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 상기 배터리 셀(110)이 복수 개로 구비된 것으로 한정하여 설명한다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(110)은 상호 적층되게끔 배치될 수 있다. 구체적으로, 각각의 배터리 셀(110)은 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 전후 방향과 나란한 수평 방향에서 눕혀져 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)은 수평 방향에서 눕혀져 배치된 채 상하 방향을 따라 상호 적층될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)이 수평 방향에서 눕혀져 배치되기에, 상기 배터리 팩(1)이 상기 자동차에 장착될 때 일반적으로 탑승자의 하측에 배치되는 점을 고려할 때, 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)에서 발생될 수 있는 발화나 폭발 등의 이벤트 발생 시 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 상측에 위치하는 상기 탑승자에 대한 안전성이 상대적으로 보다 더 확보될 수 있다.
상기 셀 하우징(130)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)을 커버하기 위한 것으로서, 전방 하우징(132), 후방 하우징(134) 및 바디 하우징(136)을 포함할 수 있다.
상기 전방 하우징(132)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 전방을 커버할 수 있다. 상기 후방 하우징(134)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 후방을 커버할 수 있다.
상기 바디 하우징(136)은 상기 전방 하우징(132)과 상기 후방 하우징(134) 사이에서 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)을 커버할 수 있다. 구체적으로, 상기 바디 하우징(136)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 상하 및 양측면을 커버할 수 있으며, 하우징 커버(138) 및 하우징 베이스(139)를 포함할 수 있다.
상기 하우징 커버(138)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 상측 및 양측면을 커버할 수 있다. 상기 하우징 베이스(139)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 하측을 커버할 수 있다.
상기 한 쌍의 버스바들(150)은 상기 셀 하우징(130)의 전방 및 후방에 각각 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 한 쌍의 버스바들(150) 중 어느 하나는 상기 전방 하우징(132)의 전방에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 양극 및 음극 중 어느 하나의 전극들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 한 쌍의 버스바들(150) 중 다른 하나는 상기 후방 하우징(134)의 후방에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 양극 및 음극 중 다른 하나의 전극들과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 한 쌍의 열전도 패드들(170)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 열전달을 위한 것으로서, 상기 한 쌍의 버스바들(150)의 전방 및 후방에 각각 장착될 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 열전도 패드들(170)은 상기 복수 개의 배터리 셀들(110)의 냉각 시 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
다시 상기 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 바텀 케이스(200)는 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 상기 바텀 케이스(200)에는 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)을 수용하기 위한 수용 공간이 마련될 수 있다.
상기 어퍼 케이스(300)는 상기 바텀 케이스(200)의 상측에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 상측 일부분, 전방 일부분 및 후방 일부분을 노출시킬 수 있다. 이는 후술하는 복수 개의 냉각유닛들(500)과 상기 케이스 빔(10, 도 1 및 도 2 참조)의 냉각 유로(15, 도 1 및 도 2 참조)에 보다 더 가까이 배치시키도록 하기 위함이다.
상기 냉각유닛(500)은 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 냉각 성능을 향상시키기 위한 것으로서, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 노출된 일부분을 커버할 수 있으며, 상기 케이스 빔(10)에 접촉되거나 또는 인접하게 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 냉각 유닛(500)은 상기 케이스 빔(10, 도 1 및 도 2 참조)의 상기 빔 브릿지(14, 도 1 및 도 2 참조)의 상기 냉각 유로(15, 도 1 및 도 2 참조) 가까이에서 상기 케이스 빔(10)의 상기 빔 브릿지(14)에 접촉 배치될 수 있다.
이러한 상기 냉각유닛(500)은 복수 개로 구비될 수 있다. 상기 복수 개의 냉각유닛들(500)은 상기 어퍼 케이스(300)의 좌우 방향을 따라 상호 소정 거리 이격 배치될 수 있다.
이하, 상기 복수 개의 냉각유닛들(500)에 대해서는 하기 도 7 내지 도 9를 참조하여 보다 자세히 살펴 본다.
도 7은 도 4의 배터리 모듈의 냉각 유닛의 사시도이며, 도 8은 도 7의 냉각 유닛의 단면도이며, 도 9는 도 7의 냉각 유닛의 베이스 바디의 사시도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 각각의 냉각유닛(500)은, 베이스 프레임(510), 상변화물질(530), 커버 프레임(550)을 포함할 수 있다.
상기 베이스 프레임(510)은 높은 열전도율을 갖는 금속 재질로 이루어지고, 상기 어퍼 케이스(300)에 삽입되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 노출된 일부분과 접촉될 수 있다. 이러한 상기 베이스 프레임(510)은, 베이스 바디(512), 베이스 브릿지(516) 및 구획 브릿지(516)를 포함할 수 있다.
상기 베이스 바디(512)는 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 상측 일부분을 커버할 수 있다. 이러한 상기 베이스 바디(512)에는 수용홈(514)이 구비될 수 있다. 상기 수용홈(514)은 상기 베이스 바디(512)의 상면에 구비되며, 후술하는 상변화물질(530)을 수용할 수 있다.
상기 베이스 브릿지(516)는 한 쌍으로 구비되어 상기 베이스 바디(512)의 전후 방향에 따른 양단부에 각각 구비될 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 베이스 브릿지들(516)은 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 전방 일부분 및 후방 일부분을 커버할 수 있다.
상기 구획 브릿지(516)는 상기 한 쌍의 베이스 브릿지들(516) 사이에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100) 중 상기 어퍼 케이스(300)의 전후 방향을 따라 마주 하는 배터리 셀들(100)을 구획할 수 있다.
구체적으로, 상기 구획 브릿지(516)는 상기 베이스 바디(512)의 하측으로부터 돌출되어 상기 어퍼 케이스(300)의 전후 방향을 따라 마주 하는 배터리 셀들(100) 사이에 배치되며, 열전달 효율을 향상시킬 수 있게 상기 마주 하는 배터리 셀 조립체들(100)과 접촉되게 배치될 수 있다.
상기 상변화물질(530)은 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있게 냉각을 가이드 하는 물질로서, 상기 베이스 프레임(510)의 상측에 수용될 수 있다. 구체적으로, 상기 상변화물질(530)은 상기 베이스 바디(512)의 상기 수용홈(514) 내에 채워질 수 있다.
이러한 상기 상변화물질(530)은 상변화를 통해 기체에서 액체 또는 액체에서 기체로 변화될 수 있는 물질로 마련될 수 있다. 예로써, 상기 상변화물질(530)은 낮은 끓는점을 갖는 물질로서 노벡(Novec) 류 물질로 마련될 수 있다.
상기 커버 프레임(550)은 상기 베이스 프레임(510)과 같이 높은 열전도율을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 베이스 프레임(510)의 상측에 장착될 수 있다. 구체적으로, 상기 커버 프레임(550)은 상기 베이스 바디(512)의 상측에 장착되어 상기 상변화물질(530)을 수용하는 상기 수용홈(514)을 밀폐시킬 수 있다.
이러한 상기 커버 프레임(550)은 상기 어퍼 케이스(300)의 전후 방향을 따라 소정 길이로 돌출될 수 있다. 상기 커버 프레임(550)의 돌출된 부분은 상기 케이스 빔(10, 도 1 및 도 2 참조)의 상기 빔 브릿지(14, 도 1 및 도 2 참조) 상측에 안착될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각유닛(500)은 상기 케이스 빔(10)에 보다 안정적으로 고정됨과 아울러 상기 케이스 빔(10) 측으로의 열전도율을 높일 수 있다.
이하에서는, 이러한 본 실시예에 따른 상기 냉각유닛(500)을 통한 상기 배터리 팩(1, 도 1 및 도 2 참조)의 냉각에 대해 보다 자세히 살펴 본다.
도 10은 도 1의 배터리 팩의 냉각을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 상기 배터리 팩(1)의 상기 배터리 셀 조립체들(100)의 온도가 상승될 경우, 상기 배터리 셀 조립체들(100)에서 발생되는 열은 우선적으로 상기 냉각유닛(500)으로 전달될 수 있다.
먼저, 상기 냉각유닛(500)의 상기 베이스 브릿지(516)는 상기 케이스 빔(10)의 상기 냉각 유로(15) 가까이에 배치되기에, 상기 배터리 셀 조립체들(100)을 냉각시킬 수 있다.
그리고, 상기 배터리 셀 조립체들(100)의 상측에 배치되는 상기 냉각유닛(500)의 상기 상변화물질(530)은 증발과 응축을 통해 상기 배터리 셀 조립체들(100)의 냉각을 가이드 할 수 있다.
구체적으로, 상기 배터리 셀 조립체들(100)에서 발생되는 열이 상기 냉각유닛(500)의 상기 베이스 바디(512)로 전달될 경우, 상기 상변화물질(530)은 상변화를 통해 액체에서 기체로 되면서 상기 배터리 셀 조립체들(100)의 온도를 낮출 수 있다. 그리고, 상기 냉각 유로(15)를 구비하는 상기 케이스 빔(10)과 접촉되는 상기 커버 프레임(550)의 온도가 낮아지면, 상기 상변화물질(530)은 기체에서 액체로 다시 상변화될 수 있다.
이러한 매커니즘에 따라, 상기 상변화물질(530)은 상기 배터리 셀 조립체들(100) 및 상기 커버 프레임(550)의 온도에 따라 증발과 응축을 반복하면서 상기 배터리 셀 조립체들(100)의 냉각 성능을 개선할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(50) 및 상기 배터리 모듈(50)을 포함하는 배터리 팩(1)은, 종래와 같은 복잡한 구조의 냉각 튜브들 및 냉각 펌프들 등과 같은 구조물 없이 상기 상변화물질(530)을 포함하는 간단한 구조의 냉각유닛(500)을 통해 냉각 성능을 확보할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(50) 및 상기 배터리 모듈(50)을 포함하는 배터리 팩(1)은 상대적으로 상기 배터리 셀들(110)의 용적률을 최대한 확보할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 상기 배터리 모듈(50) 및 상기 배터리 모듈(50)을 포함하는 배터리 팩(1)은 상기 냉각유닛(500)을 통해 상기 배터리 셀들(110)의 에너지 밀도를 향상시킴과 아울러 보다 간편한 냉각 구조를 구현할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 배터리 팩 10: 케이스 빔
12: 빔 베이스 14: 빔 브릿지
15: 냉각 유로 50: 배터리 모듈
100: 배터리 셀 조립체 110: 배터리 셀
130: 셀 하우징 132: 전방 하우징
134: 후방 하우징 136: 바디 하우징
138: 하우징 커버 139: 하우징 베이스
150: 한 쌍의 버스바들 170: 한 쌍의 열전도 패드들
200: 바텀 케이스 300: 어퍼 케이스
500: 냉각유닛 510: 베이스 프레임
512: 베이스 바디 514: 수용홈
516: 베이스 브릿지 518: 구획 브릿지
530: 상변화물질 550: 커버 프레임

Claims (15)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 복수 개의 배터리 셀 조립체들;
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들을 수용하는 바텀 케이스;
    상기 바텀 케이스의 상측에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 상측 일부분, 전방 일부분 및 후방 일부분을 노출시키는 어퍼 케이스; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 노출된 일부분을 커버하며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 냉각을 위한 상변화물질을 구비하는 냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각유닛은,
    상기 어퍼 케이스에 삽입되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 노출된 일부분과 접촉되는 베이스 프레임;
    상기 베이스 프레임의 상측에 수용되는 상기 상변화물질; 및
    상기 상변화물질을 밀폐시킬 수 있게 상기 베이스 프레임의 상측에 장착되는 커버 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 프레임은,
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 상측 일부분을 커버하며, 상기 상변화물질을 수용하기 위한 수용홈을 구비하는 베이스 바디;
    상기 베이스 바디의 양단부에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 전방 일부분 및 후방 일부분을 커버하는 베이스 브릿지; 및
    상기 베이스 브릿지 사이에 구비되며, 마주 하는 배터리 셀 조립체들을 구획하는 구획 브릿지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구획 브릿지는,
    상기 마주 하는 배터리 셀 조립체들 사이에 배치되며, 상기 마주 하는 배터리 셀 조립체들과 접촉되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 커버 프레임은,
    상기 어퍼 케이스의 전후 방향을 따라 소정 길이로 돌출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은,
    복수 개로 구비되며,
    상기 복수 개의 냉각 유닛들은,
    상기 어퍼 케이스의 좌우 방향을 따라 상호 소정 거리 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들은,
    상호 적층되는 복수 개의 배터리 셀들;
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 커버하는 셀 하우징;
    상기 셀 하우징의 전방 및 후방에 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 버스바들; 및
    상기 한 쌍의 버스바들에 각각 장착되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 열전달을 위한 한 쌍의 열전도 패드들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    각각의 배터리 셀은,
    상기 복수 개의 배터리 셀 조립체들의 전후 방향과 나란한 수평 방향에서 눕혀져 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀들은,
    원통형 이차 전지로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 셀 하우징은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들을 전방을 커버하는 전방 하우징;
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 후방을 커버하는 후방 하우징; 및
    상기 전방 하우징과 상기 후방 하우징 사이에서 상기 복수 개의 배터리 셀들을 커버하는 바디 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 한 쌍의 버스바들은, 각각,
    상기 전방 하우징 및 상기 후방 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈이 슬라이딩 삽입되는 케이스 빔;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 케이스 빔에는,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 냉각시킬 수 있는 냉각수가 유동하는 냉각 유로;가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은,
    상기 냉각 유로 가까이에서 상기 케이스 빔에 접촉 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제12항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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