KR20220049724A - 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 구체적으로 소정 공간을 가지는 팩 케이스(100); 상기 팩 케이스(100) 내부에 수납되는 복수개의 전지 모듈(200); 상기 복수개의 전지 모듈(200)을 전기적으로 연결하는 버스바(400); 및 상기 팩 케이스(100) 하부에 구비된 냉각부재(500);를 포함하되, 상기 버스바(400)의 소정 영역은 상기 냉각부재(500)에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.

Description

냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스{Battery Pack With Improved Cooling Performance And Device Including It}
본 발명은 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로, 구체적으로 버스바와 냉각부재를 일체형으로 형성함으로써 전지 모듈과 함께 버스바를 직접적으로 냉각하는 것이 가능하여, 전지 팩의 온도를 안정적으로 유지시킬 수 있는 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지셀을 전기적으로 연결하는 전지 모듈 또는 이러한 전지 모듈을 다수 구비한 전지 팩이 사용된다.
한편 이차 전지는 우수한 전기적 특성을 가지고 있지만, 디바이스가 요구하는 출력이 증대되고 이로 인해 통전 전류량이 증가하여 이차 전지의 온도가 급격하게 상승하기도 한다.
또한, 과충전, 과방전, 과전류 등 비정상적인 작동 상태에서 전지의 구성요소들인 활물질, 전해질 등의 분해반응이 유발되어 열과 가스가 발생하고, 이로 인해 이차 전지가 팽창하는, 이른바 스웰링 현상이 일어나는 문제점이 있다. 스웰링 현상은 이러한 분해반응을 가속화시켜 열폭주(Thermal runaway) 현상에 의한 이차 전지의 발화 내지 폭발을 초래하기도 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 종래 기술에 따른 전지 모듈은 복수개의 전지셀(10)을 수납하고 있으며, 인접하고 있는 복수개의 전지셀(10)들을 전기적으로 연결하는 버스바(20), 복수개의 버스바(20) 하면에 부착된 평판 형상의 버스바 하우징(30) 및 버스바 하우징(30) 상면에 부착된 냉각수 순환관(40)을 포함하고 있다.
이와 같이 종래 기술에서의 전지 모듈은 복수의 버스바(20)와 연결된 버스바 하우징(30) 상면에 냉각수 순환관(40)이 구비되어 있고, 따라서 내부에서 발생하는 열은 버스바(20)를 경유한 후 순환관(40)에 의해 냉각되는 구조이므로, 버스바(20)도 함께 냉각될 수 있다는 이점이 있다.
하지만 종래 기술에 따른 전지 모듈에서는 단순히 버스바(20) 상부에 순환관(40)이 배치되는 구조이어서, 냉각효율이 낮을 뿐만 아니라 순환관(40)으로 인해 전지 모듈의 전체적인 부피가 증가한다는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제2019-0140669호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에서는 전지 모듈 및 전지 모듈들을 연결하는 버스바에서 발생하는 열을 동시에 냉각하면서도 부피 증가를 최소화할 수 있는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에서는, 냉각부재와 버스바가 일체형으로 결합됨으로써 제조공정의 단순화를 기대할 수 있는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
게다가, 본 발명에 따른 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에서는, 버스바를 신속하게 냉각하는 것이 가능하여 버스바의 표면적을 줄일 수 있는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전지 팩은, 소정 공간을 가지는 팩 케이스(100), 상기 팩 케이스(100) 내부에 수납되는 복수개의 전지 모듈(200), 상기 복수개의 전지 모듈(200)을 전기적으로 연결하는 버스바(400), 및 상기 팩 케이스(100) 하부에 구비된 냉각부재(500)를 포함하되, 상기 버스바(400)의 소정 영역은 상기 냉각부재(500)에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 팩 케이스(100)는 상부 팩 케이스(110) 및 하부 팩 케이스(120)를 포함하고, 상기 하부 팩 케이스(120)에는 상기 버스바(400)가 관통하기 위한 제1 슬릿(121)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 냉각부재(500)은 몸체부(510) 및 냉매관(520)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 몸체부(510)에는 상기 버스바(400)가 관통하기 위한 제2 슬릿(511)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 냉매관(520)은 상기 몸체부(510)에 매립된 상태로 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 버스바(400)는 수평부(410) 및 상기 수평부(410) 양측 가장자리에서 수직방향으로 소정길이 연장된 수직부(420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 전지 모듈(1000)은, 상기 버스바(400)의 수평부(410) 및 수직부(420)의 소정부분은 상기 몸체부(510)에 매립된 상태인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 냉매관(520)은 상기 매립된 버스바(400)의 수평부(410) 및 수직부(420) 보다 상대적으로 아래에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전지 팩에서, 상기 버스바(400)와 냉매관(520)은 인서트 사출 성형에 의해 몸체부(510)와 일체형으로 성형되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 언급된 전지 팩을 포함하는 디바이스일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 의하면, 냉각부재를 통해 버스바를 직접적으로 냉각하는 것이 가능하기 때문에, 버스바의 열을 신속하게 제거할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 의하면, 버스바 및 냉각부재가 인서트 사출 성형으로 일체형으로 형성됨으로써 버스바 및 냉각부재를 결합하기 위한 결합부재가 생략되어 제조비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
게다가 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 의하면, 버스바가 냉각부재에 매립되는 구조이므로 부피 증가를 최소화할 수 있고, 결과적으로 에너지 밀도가 높다는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 팩의 사시도이다.
도 3는 도 2에 도시한 전지 팩의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 버스바와 냉각부재의 결합구조를 설명하기 위한 분해사시도이다.
도 5는 도 3의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 냉각성능이 향상된 전지 팩에 관하여 첨부한 도면들을 참고하면서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전지 팩의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 전지 팩의 분해사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 팩은 팩 케이스(100), 팩 케이스(100)에 수납되는 복수개의 전지 모듈(200), BDU(300, Battery Disconnet Unit), 복수개의 전지 모듈(200)을 전기적으로 연결하는 버스바(400), 팩 케이스(100) 하부에 위치하는 냉각부재(500)를 포함하여 구성된다.
먼저, 팩 케이스(100)는 소정 공간을 형성할 수 있도록 상부 팩 케이스(110)와 하부 팩 케이스(120)로 구성된다.
하부 팩 케이스(120)는 전지 모듈(200)과 BDU(300, Battery Disconnet Unit) 등 각종 부품들을 안정적으로 지지할 수 있도록 편평한 바닥면과 측면들로 이루어져 있다. 특히 바닥면 가장자리 소정 영역들에는 복수개의 제1 슬릿(121)이 형성되어 있는데, 이는 후술할 버스바(400)의 수직부(420)가 관통하여 바닥면 상부로 돌출되도록 하기 위한 것이다.
상부 팩 케이스(110)는 하부 팩 케이스(120) 상부에 결합되며, 내부에 실장되는 각종 부품들을 외부 충격으로부터 보호한다.
팩 케이스(100) 내부에 수납되는 전지 모듈(200)은 복수개의 전지셀(미도시)과 전지셀들을 보호하기 위한 모듈 케이스를 포함하여 구성된다.
전지셀은, 일 예로 전극조립체(미도시)를 수납하는 셀 케이스와 한 쌍의 전극 리드를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 전지셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
상기와 같은 전극조립체는 셀 케이스에 수납되며, 셀 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.
내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 박막을 사용할 수 있다.
그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
한편, 한 쌍의 전극 리드는 양극 리드와 음극 리드로 이루어지며, 셀 조립체의 양극 탭과 음극 탭이 각각 전기적으로 연결된 후 셀 케이스 외부로 노출되거나, 탭을 생략하고 셀 조립체와 직접 연결되어도 무방하다.
비록 도면에서는 두 개의 전지 모듈(200)이 수납되는 것으로 도시하고 있으나, 이는 일 예시에 불과할 뿐 팩 케이스(100)에 수납되는 전지 모듈(200)의 개수는 얼마든지 변경이 가능함은 자명하다.
이어서, BDU(300, Battery Disconnet Unit)는 전지 모듈(200)과 인접하게 장착되어 있고, 버스바(400)를 통해 전지 모듈(200)들과 연결됨으로써 전지 모듈(200)들의 전기적 연결을 제어하는 장치이고, 이러한 BDU(300)는 공지된 구성에 해당되므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 버스바와 냉각부재의 결합구조를 설명하기 위한 분해사시도이고, 도 5는 도 3의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면서 설명하면, 버스바(400)는 소정 형상으로 절곡되어 있다. 구체적으로, 버스바(400)는 수평부(410) 및 수평부(410) 양측 가장자리에서 수직방향으로 소정길이 연장된 수직부(420)로 구성되어 있다.
이와 같이 버스바(400)를 수평부(410)와 수직부(420)를 형성하도록 절곡시킨 이유는 냉각부재(500)와의 접촉을 통해 버스바(400)를 신속하게 냉각시키기 위함이다.
즉, 도 4 및 5에 도시한 바와 같이, 버스바(400)의 수평부(410)는 냉각부재(500) 내부에 위치하는 한편, 수직부(420)는 냉각부재(500)의 제2 슬릿(511)과 하부 팩 케이스(120)의 제1 슬릿(121)을 순차적으로 관통하여 상부로 돌출된다. 물론 돌출된 버스바(400)의 수직부(420)는 전지 모듈(200) 및 BDU(300)등을 전기적으로 서로 연결한다.
한편, 냉각부재(500)는 팩 하부 케이스(120) 아래에 위치하면서, 팩 하부 케이스(120)에 안착되어 있는 전지 모듈(200)과 BDU(300, Battery Diconnect Unit), 그리고 냉각부재(500) 내부의 버스바(400)에서 발생한 열을 냉각한다.
여기서, 냉각부재(500)는 몸체부(510)와, 몸체부(510) 내부에 매립된 상태인 냉매관(520)을 포함하여 구성된다.
몸체부(510)는 소정 높이와 넓이를 갖는 평판 형상으로, 버스바(400)의 수평부(410), 수직부(420)의 소정부분 및 냉매관(520)이 매몰된 형태로 위치하고 있으며, 냉매관(520)은 버스바(400)의 수평부(410)보다 조금 아래에 위치하는 것이 바람직하다.
몸체부(510)의 재질로는 특별히 제한하지 않지만 열전도성 플라스틱인 것이 바람직하고, 몸체부(510), 버스바(400) 및 냉매관(520)은 인서트 사출성형에 의해 서로 일체형으로 제작될 수 있다.
이와 같이 몸체부(510), 버스바(400) 및 냉매관(520)이 일체형으로 성형되기 때문에 별도의 접착부재나 고정부재를 필요로 하지 않아 제조공정이 간소화된다는 이점이 있다.
또 버스바(400)의 수평부(410)가 몸체부(510)에 매립된 냉매관(520)과 인근하여 위치하고 있기 때문에 버스바(400)를 냉각하기 위한 별도의 냉각수단이 필요 없을 뿐만 아니라 부피 증가를 억제할 수 있어 에너지밀도 향상에도 일조할 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 것 중 어느 하나 이상의 특징을 가지고 있는 전지 팩이 구비된 디바이스일 수 있고, 이러한 디바이스로는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100 : 팩 케이스
110 : 상부 팩 케이스
120 : 하부 팩 케이스
121 : 제1 슬릿
200 : 전지 모듈
300 : BDU(Battery Disconnect Unit)
400 : 버스바
410 : 수평부
420 : 수직부
500 : 냉각부재
510 : 몸체부
511 : 제2 슬릿
520 : 냉매관

Claims (10)

  1. 소정 공간을 가지는 팩 케이스(100);
    상기 팩 케이스(100) 내부에 수납되는 복수개의 전지 모듈(200);
    상기 복수개의 전지 모듈(200)을 전기적으로 연결하는 버스바(400); 및
    상기 팩 케이스(100) 하부에 구비된 냉각부재(500);를 포함하되,
    상기 버스바(400)의 소정 영역은 상기 냉각부재(500)에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스(100)는 상부 팩 케이스(110) 및 하부 팩 케이스(120)를 포함하고,
    상기 하부 팩 케이스(120)에는 상기 버스바(400)가 관통하기 위한 제1 슬릿(121)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재(500)은 몸체부(510) 및 냉매관(520)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 몸체부(510)에는 상기 버스바(400)가 관통하기 위한 제2 슬릿(511) 이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매관(520)은 상기 몸체부(510)에 매립된 상태로 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 버스바(400)는 수평부(410) 및 상기 수평부(410) 양측 가장자리에서 수직방향으로 소정길이 연장된 수직부(420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 버스바(400)의 수평부(410) 및 수직부(420)의 소정부분은 상기 몸체부(510)에 매립된 상태인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉매관(520)은 상기 매립된 버스바(400)의 수평부(410) 및 수직부(420) 보다 상대적으로 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버스바(400)와 냉매관(520)은 인서트 사출 성형에 의해 몸체부(510)와 일체형으로 성형되는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전지 팩을 포함하는 디바이스.







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