KR20210133531A - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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성준엽
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윤현섭
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체 및 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임을 포함하는 복수의 전지 모듈; 상기 복수의 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 상기 전지 모듈의 전면 및 후면에 각각 위치하는 고정 브라켓을 포함하고, 상기 전지 모듈의 전면 및 후면에 각각 돌출부가 형성되며, 상기 고정 브라켓은 상기 돌출부를 감싸면서, 상기 팩 프레임에 결합된다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각 성능과 안전성이 향상된 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지 셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지 셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다.
따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
도 1은 종래의 전지팩에 대한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈의 마운팅 방법을 나타내는 부분 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지팩은 복수의 전지 모듈(10) 및 복수의 전지 모듈이 수납되는 팩 프레임(11)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 1은 하나의 전지 모듈만을 나타내었다.
종래의 전지팩은 전지 모듈(10)의 냉각을 위해 냉매관을 마련하였고, 냉매관과 연결된 냉매관 커넥터(13)를 통해 냉매를 공급하였다. 이러한 냉매는 보통 냉각수로써, 전지팩 내부에 이러한 냉각수를 흘려 온도를 낮추는 유체 간접 냉각 구조를 적용하였다.
한편, 전지 모듈(10)을 팩 프레임(11)에 수납할 때, 4개의 모서리에 마운팅 홀을 마련하고, 마운팅 볼트(12)가 상기 마운팅 홀을 통과하여 팩 프레임(11)과 체결될 수 있다. 각 전지 모듈(10) 마다 이러한 마운팅 결합이 이루어질 수 있다.
이 때, 전지 모듈(10)의 냉각을 위한 냉매관 커넥터(13) 등의 냉각 구성과 전지 모듈(10)의 마운팅을 위한 마운팅 볼트(12) 등의 마운팅 구성을 별개의 구성으로, 각 구성마다 부품이 많고 복잡하다는 문제가 있다.
또한, 조립 불량이나 운행 중 사고 등의 원인으로, 냉매관이나 냉매관 커넥터(13) 등으로부터 냉매가 누설되는 상황이 발생할 수 있는데, 이렇게 누설된 냉매는 전지팩 내부로 침투하여 화재나 폭발의 원인이 될 수 있다.
따라서, 냉각 성능은 높이면서, 냉매의 누설로 인한 피해를 최소화할 수 있는 전지팩을 개발하는 것이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능의 향상과 함께, 냉매 누설로 인한 피해를 차단할 수 있는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체 및 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임을 포함하는 복수의 전지 모듈; 상기 복수의 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및 상기 전지 모듈의 전면 및 후면에 각각 위치하는 고정 브라켓을 포함하고, 상기 전지 모듈의 전면 및 후면에 각각 돌출부가 형성되며, 상기 고정 브라켓은 상기 돌출부를 감싸면서, 상기 팩 프레임에 결합된다.
상기 돌출부는, 상기 전지 모듈의 전면의 하측 모서리와 상기 전지 모듈의 후면의 하측 모서리에 형성될 수 있고, 상기 고정 브라켓은 상기 돌출부의 상면과 일 측면을 감싸는 고정부를 포함할 수 있다.
상기 고정 브라켓에 브라켓 홀이 형성될 수 있고, 상기 팩 프레임에 제1 팩 프레임 홀이 형성될 수 있다. 상기 전지팩은 상기 제1 팩 프레임 홀과 상기 브라켓 홀을 통과하는 제1 볼트 및 상기 제1 볼트와 결합되는 제1 너트를 더 포함할 수 있다.
상기 전지팩은 상기 돌출부와 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 포함할 수 있고, 상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성할 수 있다.
상기 팩 프레임은, 냉매의 공급을 위한 팩 냉매 공급관 및 상기 팩 냉매 공급관과 연결된 냉매 공급용 개구를 포함할 수 있고, 상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 유입구를 포함할 수 있으며, 상기 유입구와 상기 냉매 공급용 개구가 서로 연결될 수 있다.
상기 전지팩은 상기 히트 싱크와 상기 팩 프레임 사이에 위치한 채, 상기 유입구와 상기 냉매 공급용 개구를 둘러싸는 가스켓을 더 포함할 수 있다.
상기 팩 프레임은, 냉매의 배출을 위한 팩 냉매 배출관 및 상기 팩 냉매 배출관과 연결된 냉매 배출용 개구를 포함할 수 있고, 상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 배출구를 포함할 수 있으며, 상기 배출구와 상기 냉매 배출용 개구가 서로 연결될 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 일부가 연장되어 형성된 모듈 프레임 연장부를 포함할 수 있고, 상기 히트 싱크는, 상기 히트 싱크의 일 변으로부터 상기 모듈 프레임 연장부가 위치한 부분으로 연장된 히트 싱크 연장부를 포함할 수 있다.
상기 팩 프레임에 제2 팩 프레임 홀이 형성될 수 있고, 상기 모듈 프레임 연장부에 제1 마운팅 홀이 형성될 수 있으며, 상기 히트 싱크 연장부에 제2 마운팅 홀이 형성될 수 있다. 상기 전지팩은 상기 제1 마운팅 홀, 상기 제2 마운팅 홀 및 상기 제2 팩 프레임 홀을 통과하는 제2 볼트 및 상기 제2 볼트와 결합되는 제2 너트를 더 포함할 수 있다.
상기 고정 브라켓은, 상기 모듈 프레임 연장부와 상기 히트 싱크 연장부를 덮는 덮개부를 포함할 수 있다.
상기 팩 프레임 중 상기 덮개부에 의해 감싸지는 부분에 관통된 배수구가 형성될 수 있다.
상기 히트 싱크는 냉매의 유입을 위한 유입구를 포함할 수 있고, 상기 유입구의 적어도 일부가 상기 히트 싱크 연장부에 위치할 수 있다.
상기 히트 싱크와 상기 모듈 프레임의 바닥부가 냉매의 유로를 형성할 수 있고, 상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 냉매와 접촉할 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 모듈 프레임의 바닥부와 접합되는 하부 플레이트 및 하측으로 함몰 형성된 함몰부를 포함할 수 있다.
상기 팩 프레임은, 상기 전지 모듈을 받치는 받침 프레임 및 상기 받침 프레임의 아래에 위치한 하부 프레임를 포함할 수 있고, 상기 받침 프레임은, 상기 받침 프레임과 상기 하부 프레임 사이에 위치한 팩 냉매 공급관 및 팩 냉매 배출관을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 개선된 고정 브라켓 구조를 통해 전지 모듈의 견고한 고정과 동시에 냉매 누설로 인한 피해를 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 부품수 절감 및 구조의 단순화가 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지팩에 대한 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈의 마운팅 방법을 나타내는 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 포함된 전지 모듈 및 팩 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈을 팩 프레임에 고정하는 고정 브라켓을 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 6은 도 4의 팩 프레임과 고정 브라켓을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 7은 도 3의 절단선 A-A'를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 8은 도 3의 절단선 B-B'를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 9는 도 3의 C 부분을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 10은 도 9의 절단선 D-D'를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 11은 도 9의 절단선 E-E’를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 12는 도 9의 절단선 F-F'를 따라 자른 다면에 대한 부분 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 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.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 포함된 전지 모듈 및 팩 프레임을 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈을 팩 프레임에 고정하는 고정 브라켓을 분해하여 나타낸 사시도이다. 도 5는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 복수의 전지 모듈(100), 복수의 전지 모듈(100)을 포함하는 팩 프레임(1100) 및 전지 모듈(100)의 전면 및 후면에 각각 위치하는 고정 브라켓(500)을 포함한다. 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120) 및 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)을 포함한다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시티의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 열융착하여 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 커버(220) 및 U자형 프레임(210)을 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면(x축 방향과 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
상부 커버(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)는 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 서로 대향하는 양측(y축 방향과 그 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등의 위치할 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 8 등을 참고하여, 고정 브라켓(500)을 통한 전지 모듈(100)의 고정에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 도 4의 팩 프레임과 고정 브라켓을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다. 도 7은 도 3의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다. 도 8은 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 전면 및 후면에 각각 돌출부(410)가 형성된다. 전지 모듈(100)의 전면 및 후면 엔드 플레이트(400)가 위치할 수 있는데, 돌출부(410)는 엔드 플레이트(400)에 형성될 수 있다. 구체적으로, 돌출부(410)는 전지셀(110)의 적층 방향과 수직한 방향(y축과 평행한 방향)을 향해 돌출된 구조일 수 있다. 즉, 전지 모듈(100)의 전면에 형성된 돌출부(410)는 y축 방향을 향해 돌출될 수 있고, 전지 모듈(100)의 후면에 형성된 돌출부(410)는 y축 반대 방향을 향해 돌출될 수 있다.
또한, 돌출부(410)는 전지 모듈(100)의 전면의 하측 모서리와 전지 모듈(100)의 후면의 하측 모서리에 각각 형성될 수 있고, 전지 모듈(100)의 전면과 후면 각각에 대해 서로 이격된 2개의 돌출부(410)가 형성될 수 있다.
고정 브라켓(500)는, 돌출부(410)를 감싸면서 팩 프레임(1100)에 결합될 수 있다. 구체적으로, 돌출부(410)는 엔드 플레이트(400)로부터 돌출되어 형성됨에 따라 상면과 3개의 측면을 갖는데, 고정 브라켓(500)은 돌출부(410)의 상면과 일 측면을 감싸는 고정부(510)를 포함할 수 있다. 나아가, 고정부(510)는 돌출부(410)의 다른 두 측면을 더 감쌀 수 있다.
도 4, 도 6 및 도 8을 참고하면, 고정 브라켓(500)에 브라켓 홀(500H)이 형성되고, 팩 프레임(1100)에 제1 팩 프레임 홀(1111H)이 형성된다. 본 실시예에 따른 전지팩은 제1 팩 프레임 홀(1111H)과 브라켓 홀(500H)을 통과하는 제1 볼트(B1) 및 제1 볼트(B1)와 결합되는 제1 너트(N1)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 브라켓 홀(500H)과 제1 팩 프레임 홀(1111H)이 서로 대응하도록 위치하고, 제1 볼트(B1)가 제1 팩 프레임 홀(1111H)과 브라켓 홀(500H)을 통과하여 상향 직립될 수 있다. 그 후 제1 볼트(B1)가 제1 너트(N1)와 결합되어 고정 브라켓(500)이 팩 프레임(1100)에 고정될 수 있다. 효과적인 고정을 위해 제1 팩 프레임 홀(1111H), 브라켓 홀(500H), 제1 볼트(B1) 및 제1 너트(N1)는 각각 복수개로 구성되는 것이 바람직하며, 도 6에는 일 실시예로써, 각각 4개씩 구성된 모습이 나타나있다.
전지 모듈(100)을 사이에 두고 서로 대향하여 배치되는 2개의 고정 브라켓(500)이 전지 모듈(100)의 돌출부(410)를 감싸면서, 제1 볼트(B1)와 제1 너트(N1)를 통해 팩 프레임(1100)에 결합되기 때문에 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)에 수납 및 고정될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전지팩은, 돌출부(410)와 팩 프레임(1100) 사이에 위치하는 절연 부재(700)를 더 포함할 수 있다. 절연 부재(700)는 전기적 절연을 띄는 패드 형태의 부재일 수 있다. 엔드 플레이트(400)와 팩 프레임(1100) 사이에 이종 재질 접촉으로 인한 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion) 발생할 수 있는데, 그 사이에 절연 부재(700)를 배치함으로써, 갈바닉 부식의 발생을 예방할 수 있다.
한편, 도 5를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 히트 싱크(300)를 포함할 수 있고, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성할 수 있다. 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접 등으로 직접 접합되는 하부 플레이트(310) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)는, 하부 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(340)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(300)가 바닥부(210a)와 접하면서, 함몰부(340)과 바닥부(210a) 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 상기 냉매와 접촉할 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(300)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
히트 싱크(300)는 냉매의 유입되는 유입구(320) 및 냉매가 배출되는 배출구(330)를 포함할 수 있다. 유입구(320)과 배출구(330)는 함몰부(340)에 형성될 수 있다. 유입구(320)를 통해 바닥부(210a)와 히트 싱크(300) 사이로 공급된 냉매는 함몰부(340)를 따라 이동하고, 배출구(330)를 통해 배출될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 5의 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함하는 열전도성 수지층이 위치할 수 있다. 상기 열전도성 수지층은 열전도성 수지(Thermal resin)를 바닥부(210a)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)과 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 함으로써 냉각 일체형 구조를 구현할 수 있다. 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(300)가 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)이 장착된 전지팩 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)에서 발생한 열이 전지셀 적층체(120)와 바닥부(210a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(미도시), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a), 냉매를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달될 수 있다. 종래의 불필요한 냉각 구조를 제거함으로써, 열전달 경로가 단순화되고, 각 층 사이의 에어 갭을 줄일 수 있기 때문에 냉각 효율이나 성능이 증대될 수 있다. 특히, 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트로 구성되어, 바닥부(210a)가 바로 냉매와 맞닿기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조의 제거를 통해 전지 모듈(100)의 높이가 감소하여, 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있다. 나아가, 전지 모듈(100)이 콤팩트하게 배치될 수 있으므로, 전지 모듈(100)을 다수 포함하는 전지팩의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300) 중 함몰부(340)가 형성되지 않은 하부 플레이트(310) 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(200)에 수용된 전지셀 적층체(120)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 하부 플레이트(310)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 하부 플레이트(310) 내측에 형성된 함몰부(340)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되기 위해 함몰부(340)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
이하에서는, 도 9 및 도 10 등을 참고하여, 팩 냉매 공급관을 통한 히트 싱크로의 냉매 공급에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 9는 도 3의 C 부분을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다. 도 10은 도 9의 절단선 D-D’를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 4, 도 5, 도 9 및 도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 팩 프레임(1100)은 냉매의 공급을 위한 팩 냉매 공급관(1130) 및 팩 냉매 공급관(1130)과 연결된 냉매 공급용 개구(1150)를 포함할 수 있다. 또한, 팩 프레임(1100)은 냉매의 배출을 위한 팩 냉매 배출관(1140) 및 팩 냉매 배출관(1140)과 연결된 냉매 배출용 개구(1160)을 포함할 수 있다.
팩 프레임(1100)은, 전지 모듈(100)을 받치는 받침 프레임(1110) 및 받침 프레임(1110)의 아래에 위치한 하부 프레임(1120)를 포함할 수 있다. 팩 냉매 공급관(1130)과 팩 냉매 배출관(1140)은 받침 프레임(1110)과 하부 프레임(1120) 사이에 위치할 수 있으며, 보다 상세하게는, 팩 냉매 공급관(1130)과 팩 냉매 배출관(1140)은 받침 프레임(1110) 바로 아래에 위치하여 받침 프레임(1110)과 일체화된 구성일 수 있다.
앞서 설명한 히트 싱크(300)의 유입구(320)가 팩 프레임(1100)의 냉매 공급용 개구(1150)와 대응하도록 위치하여 서로 연결될 수 있다. 또한, 히트 싱크(300)의 배출구(330)가 팩 프레임(1100)의 냉매 배출용 개구(1160)와 대응하도록 위치하여 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 팩 냉매 공급관(1130)을 따라 이동하는 냉매가 냉매 공급용 개구(1150)와 유입구(320)를 통해 히트 싱크(300)와 바닥부(210a) 사이로 유입된다. 이후 함몰부(340)를 따라 이동한 냉매는 배출구(330) 및 냉매 배출용 개구(1160)를 통해 팩 냉매 배출관(1140)으로 배출될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지팩은, 유입구(320)와 냉매 공급용 개구(1150)를 둘러싸는 가스켓(600)을 더 포함할 수 있고, 가스켓(600)은 히트 싱크(300)와 팩 프레임(1100) 사이에 위치할 수 있다. 가스켓(600)을 통해 유입구(320)와 냉매 공급용 개구(1150) 사이에서 냉매가 누설되는 것을 방지할 수 있다. 마찬가지로, 히트 싱크(300)의 배출구(330)와 냉매 배출용 개구(1160)를 둘러싸는 가스켓이 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 9 및 도 11 등을 참고하여, 모듈 프레임과 히트 싱크의 마운팅 고정에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 11은 도 9의 절단선 E-E’를 따라 자른 단면에 대한 부분 단면도이다.
도 4, 도 5, 도 9 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 일부가 연장되어 형성된 모듈 프레임 연장부(211)를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 모듈 프레임 연장부(211)가 위치한 부분으로 연장된 히트 싱크 연장부(311)를 포함할 수 있다. 모듈 프레임 연장부(211)와 히트 싱크 연장부(311)는 서로 대응하는 형태를 갖고, 엔드 플레이트(400)를 지나도록 연장 형성될 수 있다.
팩 프레임(1100)에 제2 팩 프레임 홀(1112H)이 형성될 수 있고, 모듈 프레임 연장부(211)에 제1 마운팅 홀(211H)이 형성될 수 있으며, 히트 싱크 연장부(311)에 제2 마운팅 홀(311H)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지팩은, 제1 마운팅 홀(211H), 제2 마운팅 홀(311H) 및 제2 팩 프레임 홀(1112H)을 통과하는 제2 볼트(B2) 및 제2 볼트(B2)와 결합되는 제2 너트(N2)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 마운팅 홀(211H), 제2 마운팅 홀(311H) 및 제2 팩 프레임 홀(1112H)이 서로 대응하도록 위치하고, 제2 볼트(B2)가 제1 마운팅 홀(211H), 제2 마운팅 홀(311H) 및 제2 팩 프레임 홀(1112H)를 통과하여 하향 도립할 수 있다. 그 후 제2 볼트(B2)가 제2 너트(N2)와 결합되어 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)가 팩 프레임(1100)에 고정될 수 있다.
또한, 제2 볼트(B2)와 제2 너트(N2)의 체결력에 의해 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)가 서로 강하게 밀착되기 때문에 밀봉성이 향상되어 그 사이에서의 냉매 누설의 가능성을 줄일 수 있다.
효과적인 고정과 밀봉을 위해 제2 팩 프레임 홀(1112H), 제1 마운팅 홀(211H), 제2 마운팅 홀(311H), 제2 볼트(B2) 및 제2 너트(N2)는 각각 복수개로 구성되는 것이 바람직하며, 도 9 등에는 일 실시예로써, 각각 3개씩 구성된 모습이 나타나있다.
특히, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(300)로의 냉매의 유입을 위한 유입구(320)의 적어도 일부가 히트 싱크 연장부(311)에 위치할 수 있다. 제2 볼트(B2)와 제2 너트(N2)의 체결력에 의해 히트 싱크 연장부(311)와 팩 프레임(1100)도 서로 강하게 밀착될 수 있으므로, 유입구(320)를 통한 냉매 유입과정에서의 냉매의 누설을 예방할 수 있다. 또한, 유입구(320)와 냉매 공급용 개구(1150)를 둘러싸는 가스켓(600)도 히트 싱크 연장부(311)와 팩 프레임(1100) 사이에서 강하게 압착되기 때문에 밀봉성이 더욱 향상될 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 히트 싱크(300)로의 냉매를 배출하는 위한 배출구(330)의 적어도 일부가 히트 싱크 연장부(311)에 위치할 수 있다. 이에 따라, 배출구(330)를 통한 냉매 배출과정에서의 냉매의 누설을 예방할 수 있다. 또한, 배출구(330)와 냉매 배출용 개구(1160)를 둘러싸는 가스켓도 히트 싱크 연장부(311)와 팩 프레임(1100) 사이에서 강하게 압착되기 때문에 밀봉성이 더욱 향상될 수 있다.
이하에서는, 도 9 및 도 12 등을 참고하여, 고정 브라켓의 덮개부와 배수구에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 12는 도 9의 절단선 F-F’를 따라 자른 다면에 대한 부분 단면도이다.
도 4, 도 6, 도 9 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 고정 브라켓(500)은 모듈 프레임 연장부(211)와 히트 싱크 연장부(311)를 덮는 덮개부(520)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 덮개부(520)는 엔드 플레이트(400)가 형성하는 일면을 제외한, 상면과 3개의 측면을 감싸면서, 모듈 프레임 연장부(211)와 히트 싱크 연장부(311)를 덮을 수 있다. 또한, 덮개부(520)의 좌, 우에는 제1 볼트(B1)와 제1 너트(N1)의 체결구조가 각각 위치할 수 있어, 모듈 프레임 연장부(211)와 히트 싱크 연장부(311)는, 엔드 플레이트(400), 덮개부(520) 및 팩 프레임(1100)에 둘러 쌓인 채 밀폐될 수 있다.
상술한 바 대로, 모듈 프레임 연장부(211), 히트 싱크 연장부(311) 및 팩 프레임(1100)을 제2 볼트(B2)와 제2 너트(N2)로 결합하면서 1차 냉매의 누설 방지 구조를 형성할 수 있다. 나아가, 제1 볼트(B1)와 제1 너트(N1)로 고정되는 고정 브라켓(500)에 덮개부(520)를 형성하여, 모듈 프레임 연장부(211)와 히트 싱크 연장부(311)를 덮개부(520)를 통해 밀폐함으로써, 2차 냉매의 누설 방지 구조를 형성할 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 고정 브라켓(500)은, 전지 모듈(100)을 팩 프레임(1100)에 고정하는 역할을 담당할 뿐만 아니라, 히트 싱크(300)의 유입구(320)나 배출구(330)로부터 누설된 냉매가 주변의 부품들 내부로 침투하는 것을 차단하는 역할을 담당할 수 있다. 이렇게 고정 브라켓(500)을 통해 전지 모듈(100)의 마운팅 고정 구조와 냉매 누설 차단 구조를 동시에 구현할 수 있어, 부품수 절감 및 구조의 단순화가 가능한 장점이 있다.
또한, 팩 프레임(1100) 중 덮개부(520)에 의해 감싸지는 부분에 관통된 배수구(1170)가 형성될 수 있다. 모듈 프레임 연장부(211)와 히트 싱크 연장부(311) 사이로 누설된 냉매가 덮개부(520) 내부로 모이게 되는데 이러한 냉매를 배수구(1170)을 통해 전지팩 하부로 배출시킬 수 있다. 따라서, 모인 냉매가 전지 모듈(100) 내부로 침투하는 것을 차단하여 전지 모듈(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 5를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 함몰부(340)에는 돌출 패턴(340D)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 대면적 전지 모듈에서는, 기존에 하나의 전지 모듈 내에 대략 12개 내지 24개의 전지셀이 적층된 경우 대비하여 대략 32개 내지 48개의 전지셀이 하나의 전지 모듈 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 돌출 패턴(340D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 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.
100: 전지 모듈
200: 모듈 프레임
300: 히트 싱크
410: 돌출부
500: 고정 브라켓
510: 고정부
520: 덮개부
1000: 전지팩

Claims (17)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체 및 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임을 포함하는 복수의 전지 모듈;
    상기 복수의 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 및
    상기 전지 모듈의 전면 및 후면에 각각 위치하는 고정 브라켓을 포함하고,
    상기 전지 모듈의 전면 및 후면에 각각 돌출부가 형성되며,
    상기 고정 브라켓은 상기 돌출부를 감싸면서, 상기 팩 프레임에 결합되는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 돌출부는, 상기 전지 모듈의 전면의 하측 모서리와 상기 전지 모듈의 후면의 하측 모서리에 형성되며,
    상기 고정 브라켓은 상기 돌출부의 상면과 일 측면을 감싸는 고정부를 포함하는 전지팩.
  3. 제1항에서,
    상기 고정 브라켓에 브라켓 홀이 형성되고, 상기 팩 프레임에 제1 팩 프레임 홀이 형성되며,
    상기 제1 팩 프레임 홀과 상기 브라켓 홀을 통과하는 제1 볼트 및 상기 제1 볼트와 결합되는 제1 너트를 더 포함하는 전지팩.
  4. 제1항에서,
    상기 돌출부와 상기 팩 프레임 사이에 위치하는 절연 부재를 더 포함하는 전지팩.
  5. 제1항에서,
    상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크를 포함하고,
    상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 히트 싱크의 상부 플레이트를 구성하는 전지팩.
  6. 제5항에서,
    상기 팩 프레임은, 냉매의 공급을 위한 팩 냉매 공급관 및 상기 팩 냉매 공급관과 연결된 냉매 공급용 개구를 포함하고,
    상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 유입구를 포함하며,
    상기 유입구와 상기 냉매 공급용 개구가 서로 연결되는 전지팩.
  7. 제6항에서,
    상기 히트 싱크와 상기 팩 프레임 사이에 위치한 채, 상기 유입구와 상기 냉매 공급용 개구를 둘러싸는 가스켓을 더 포함하는 전지팩.
  8. 제5항에서,
    상기 팩 프레임은, 냉매의 배출을 위한 팩 냉매 배출관 및 상기 팩 냉매 배출관과 연결된 냉매 배출용 개구를 포함하고,
    상기 히트 싱크는 냉매가 유입되는 배출구를 포함하며,
    상기 배출구와 상기 냉매 배출용 개구가 서로 연결되는 전지팩.
  9. 제5항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 일부가 연장되어 형성된 모듈 프레임 연장부를 포함하고,
    상기 히트 싱크는, 상기 히트 싱크의 일 변으로부터 상기 모듈 프레임 연장부가 위치한 부분으로 연장된 히트 싱크 연장부를 포함하는 전지팩.
  10. 제9항에서,
    상기 팩 프레임에 제2 팩 프레임 홀이 형성되고,
    상기 모듈 프레임 연장부에 제1 마운팅 홀이 형성되며,
    상기 히트 싱크 연장부에 제2 마운팅 홀이 형성되고,
    상기 제1 마운팅 홀, 상기 제2 마운팅 홀 및 상기 제2 팩 프레임 홀을 통과하는 제2 볼트 및 상기 제2 볼트와 결합되는 제2 너트를 더 포함하는 전지팩.
  11. 제9항에서,
    상기 고정 브라켓은, 상기 모듈 프레임 연장부와 상기 히트 싱크 연장부를 덮는 덮개부를 포함하는 전지팩.
  12. 제11항에서,
    상기 팩 프레임 중 상기 덮개부에 의해 감싸지는 부분에 관통된 배수구가 형성되는 전지팩.
  13. 제9항에서,
    상기 히트 싱크는 냉매의 유입을 위한 유입구를 포함하며,
    상기 유입구의 적어도 일부가 상기 히트 싱크 연장부에 위치하는 전지팩.
  14. 제5항에서,
    상기 히트 싱크와 상기 모듈 프레임의 바닥부가 냉매의 유로를 형성하고,
    상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 냉매와 접촉하는 전지팩.
  15. 제5항에서,
    상기 히트 싱크는, 상기 모듈 프레임의 바닥부와 접합되는 하부 플레이트 및 하측으로 함몰 형성된 함몰부를 포함하는 전지팩.
  16. 제1항에서,
    상기 팩 프레임은, 상기 전지 모듈을 받치는 받침 프레임 및 상기 받침 프레임의 아래에 위치한 하부 프레임를 포함하고,
    상기 받침 프레임은, 상기 받침 프레임과 상기 하부 프레임 사이에 위치한 팩 냉매 공급관 및 팩 냉매 배출관을 포함하는 전지팩.
  17. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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