KR20220151493A - 냉각 성능이 향상된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

냉각 성능이 향상된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 절연 냉각액이 유입되고 유출되는 냉각액 유입부 및 냉각액 유출부를 구비하는 팩 케이스; 상기 팩 케이스 내부에 배치되며, 상기 절연 냉각액이 통과할 수 있는 공간을 형성하는 크로스 빔; 및 복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 크로스 빔에 의해 구획된 공간 내에 각각 배치되는 복수의 배터리 모듈; 을 포함한다.

Description

냉각 성능이 향상된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{Battery pack with improved Cooling performance and Vehicle comprising the same}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀의 냉각 효율을 효과적으로 상승시킬 수 있는 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차 등에 관한 것이다.
근래에, 모바일 기기의 발전에 따라, 충방전이 가능한 이차전지가 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기 자동차 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
한편, 전기 자동차와 같이 큰 용량의 전기를 필요로 하는 장치의 경우, 배터리 팩에는 통상적으로 많은 수의 배터리 모듈이 포함되어야 하며, 에너지 밀도를 높이기 위해, 다수의 배터리 모듈은 매우 좁은 공간에 밀집된 형태로 구성되는 경우가 많다.
그런데, 이와 같은 고용량 이차전지의 충방전 과정에서는, 다량의 열이 발생되므로, 충방전 과정에서 발생한 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 배터리의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성이 존재하게 된다.
따라서, 고용량의 배터리인 차량용 배터리 팩에는 그것에 내장되어 있는 배터리 셀들을 효율적으로 냉각시키는 냉각 시스템의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 절연 냉각액을 통해 배터리 셀을 직접 냉각하는 방식을 채용함으로써, 배터리 셀의 냉각 효율을 상승시키는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 팩 제조 비용을 절감함과 동시에 배터리 팩의 소형화를 달성하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩은, 절연 냉각액이 유입되고 유출되는 냉각액 유입부 및 냉각액 유출부를 구비하는 팩 케이스; 상기 팩 케이스 내부에 배치되며, 상기 절연 냉각액이 통과할 수 있는 공간이 형성되도록 구비되는 크로스 빔; 및 복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 크로스 빔에 의해 구획된 공간 내에 각각 배치되는 복수의 배터리 모듈; 을 포함한다.
한편, 상기 팩 케이스는, 상기 냉각액 유입부 및 상기 냉각액 유출부를 제외하고는 기밀된 상태일 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모듈 내에 포함된 복수의 배터리 셀은 상기 절연 냉각액과 직접 접촉한다.
특히, 상기 배터리 모듈의 일 측에 위치하는 인렛으로 절연 냉각액이 유입되고, 상기 배터리 모듈을 가로질러 상기 인렛의 반대편에 위치하는 아웃렛으로 절연 냉각액이 유출될 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈은 복수의 코너 영역을 포함하고, 상기 배터리 모듈의 상기 인렛 및 상기 아웃렛은 각각, 상기 복수의 코너 영역 중 어느 하나에 위치될 수 있다.
또한, 특정 배터리 모듈의 아웃렛에서 유출된 절연 냉각액은, 인접한 배터리 모듈의 인렛으로 유입될 수 있다.
한편, 상기 팩 케이스의 상기 냉각액 유입부로 유입된 절연 냉각액은, 상기 배터리 팩에 포함된 모든 배터리 모듈을 순차적으로 통과한 뒤, 상기 냉각액 유출부로 유출될 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈에 포함된 다수의 배터리 셀은 서로 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
또는, 상기 배터리 모듈에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 밀도는, 특정 방향으로 갈수록 점진적으로 증가 또는 점진적으로 감소할 수 있다.
특히, 상기 배터리 모듈에 포함된 상기 배터리 셀의 배치 밀도는, 상기 인렛에서부터 상기 아웃렛에 이르는 경로 중 최단 거리 경로로부터 거리가 먼 영역일수록 낮게 형성될 수 있다.
한편, 상기 크로스 빔은 상기 팩 케이스의 측부 커버와 소정 간격 이간되어 있을 수 있다.
또는, 상기 크로스 빔은 상기 팩 케이스의 측부 커버와 접해 있고, 상기 크로스 빔의 적어도 일부에, 절연 냉각액의 유출입이 가능한 개방부가 형성되어 있을 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 의하면, 절연 냉각액과 각각의 배터리 셀이 직접 접촉하는 구조와, 배터리 팩 내부의 크로스 빔 및/또는 배터리 셀의 특정한 배치 구조에 의해, 배터리 팩의 효율적인 냉각이 가능해진다.
또한, 본 발명에 의하면, 배터리 팩의 소형화가 가능해지고, 제조 비용이 절감된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 평면도이다.
도 4a는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 4b는, 도 4a에서, A-A' 를 따라 절단한 절단면을, 그 절단면과 수직 방향에서 본 단면도이다.
도 4c는, 도 4b와는 또 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 5는, 도 2의 점선 부분을 확대한 평면도이다.
도 6은, 도 5와는 또 다른 실시를 나타내는 평면도이다.
도 7은, 본 발명의 배터리 팩을 포함하는 자동차를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이며, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 팩 케이스(10), 크로스 빔(20) 및 배터리 모듈(30)을 포함한다. 이러한 배터리 팩(1)은, 예를 들면, 전기 자동차(2) 등에 사용될 수 있다.
먼저, 팩 케이스(10)에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 상기 팩 케이스(10)는 하부 커버(11), 상부 커버(12) 및 측부 커버(13)를 포함한다. 상기 팩 케이스(10)는, 절연 냉각액이 유입되고 유출되는 통로로서 기능하는 냉각액 유입부(P1) 및 냉각액 유출부(P2)를 구비한다. 또한, 상기 팩 케이스(10)는 크로스 빔(20) 및 배터리 모듈(30)을 그 내부에 수용한다. 상기 팩 케이스(10)는 복수의 배터리 모듈(30)을 외부 충격으로부터 보호하는 기능을 할 수 있고, 따라서 그 재질은 경질인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 팩 케이스(10)의 내부 구조에 대한 설명의 편의상, 상기 팩 케이스(10)는 점선으로 도시하였다.
상기 냉각액 유입부(P1) 및 냉각액 유출부(P2)는, 측부 커버(13)에 형성될 수 있고, 이를 통해, 절연 냉각액이 유입되고 유출될 수 있다. 물론, 이와는 달리 상기 냉각액 유입부(P1) 및 냉각액 유출부(P2)가, 하부 커버(11) 또는 상부 커버(12)에 형성되는 것도 가능하다. 상기 팩 케이스(10)는, 절연 냉각액이 그 내부를 통과하기 때문에, 냉각액 유입부(P1) 및 냉각액 유출부(P2)를 제외하고는 기밀된 상태일 수 있다. 따라서, 상기 냉각액 유입부(P1)로 유입된 절연 냉각액은, 팩 케이스(10)의 외부로 누출되지 않는다. 한편, 상기 팩 케이스(10)의 냉각액 유입부(P1)로 유입된 절연 냉각액은, 배터리 팩(1)에 포함된 모든 배터리 모듈(30)을 순차적으로 통과한 뒤, 냉각액 유출부(P2)로 유출될 수 있다.
이에 따라, 절연 냉각액은, 상기 배터리 팩(1) 내에 포함된 모든 배터리 셀(31)과의 직접 접촉을 통한 냉각을 실시할 수 있어, 냉각 효율이 향상될 수 있다.
한편, 상기 냉각액은, 절연 냉각유와 같이, 절연 성능이 높은 액체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 크로스 빔(20)에 대해 설명한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 평면도이며, 도 3은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 평면도이고, 도 4는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도 및 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 크로스 빔(20)은 적어도 하나의 가로 빔(21)과 적어도 하나의 세로 빔(22)을 포함할 수 있다. 상기 가로 빔(21)과 세로 빔(22)은 서로 대략 수직으로 교차될 수 있다. 구체적으로, 도 2에서는 하나의 가로 빔(21)과 하나의 세로 빔(22)이 서로 교차되어 있는 십자가 형상의 크로스 빔(20)이 도시되어 있고, 도 3에서는 두 개의 가로 빔(211, 212)과 하나의 세로 빔(22)이 서로 교차되어 있는 형상의 크로스 빔(20)이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 크로스 빔(20)이 하나의 가로 빔(21)과 하나의 세로 빔(22)이 서로 대략 수직하게 교차된 형태를 갖는 경우, 팩 케이스(10)의 내부 공간은 4개의 공간으로 구획될 수 있다.
이와는 달리, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 크로스 빔(20)이 두 개의 가로 빔(211, 212)과, 하나의 세로 빔(22)이 서로 대략 수직하게 교차된 형태를 갖는 경우, 팩 케이스(10)의 내부 공간은 6개의 공간으로 구획될 수 있다. 이와 같이, 하나 이상의 가로 빔(21) 및 하나의 세로 빔(22)에 의해, 팩 케이스(10) 내부 공간이 복수로 구획될 수 있고, 구획된 각 공간 내에 배터리 모듈(30)이 배치될 수 있다. 참고로, 도시되어 있지 않지만, 세로 빔(22)이 복수 개로 형성될 수도 있다.
본 발명의 도면에서는 팩 케이스(10)이 내부 공간이 4개로 구획되는 경우(도 2 참조) 및 6개로 구획되는 경우(도 3 참조)만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 크로스 빔(20)은 3개 또는 그 이상의 가로 빔을 포함할 수 있으며, 2개 또는 그 이상의 세로 빔을 포함할 수 있다. 이 경우 팩 케이스(10)의 내부 공간은 8개 또는 그 이상의 공간으로 구획될 수 있다.
한편, 상기 크로스 빔(20)이 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)로부터 소정 간격 이간되어 있는 구조, 또는 크로스 빔(20)에 개방부가 형성되어 있는 구조에 의해, 하나의 배터리 모듈 수용 공간으로부터 그와 인접한 다른 배터리 모듈 수용 공간으로 절연 냉각액이 통과할 수 있는 냉각액 통로가 팩 케이스(10) 내에 형성될 수 있다. 즉, 상기 크로스 빔(20)은 절연 냉각액이 통과할 수 있는 공간이 형성되도록 구비될 수 있다.
먼저, 상기 크로스 빔(20)이 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)로부터 소정 간격 이간되어 있는 구조에 대해 설명한다. 도 2를 참조하면, 가로 빔(21)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 양 단부는 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)와 소정 간격 이간되어 있다. 세로 빔(22)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 단부는 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)와 소정 간격 이간되어 있다. 이에 따라 상기 크로스 빔(20)과 측부 커버(13) 사이에 형성된 간격(G)으로 절연 냉각액이 통과할 수 있다. 도 2에 도시된 화살표는 절연 냉각액의 개략적인 흐름을 나타낸 것이다.
이와 같이, 상기 크로스 빔(20)과 팩 케이스(10)의 측부 커버(13) 사이에 간격(G)이 형성되도록 함으로써, 크로스 빔(20)과 같은 간단한 구조물의 적용만으로도, 배터리 팩(1) 내에서 절연 냉각액의 흐름을 효율적으로 안내하는 것이 가능해 진다. 또한, 상기 구조에 의하면, 크로스 빔(20)과 같은 간단한 구조물의 적용만으로도 절연 냉각액이 배터리 팩(1) 내의 전 영역을 통과할 수 있게 되어 냉각 효율을 높일 수 있게 된다.
다음으로, 크로스 빔(20)에 개방부가 형성되어 있는 구조에 대해 설명한다. 도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이고, 도 4b는, 도 4a에서, A-A' 를 따라 절단한 절단면을, 그 절단면과 수직 방향에서 본 단면도이며, 도 4c는, 도 4b와는 또 다른 실시 형태를 나타낸 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 크로스 빔(20)은 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)와 간격 없이 맞닿아 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 크로스 빔(20)의 적어도 일부에, 절연 냉각액의 유출입이 가능한 개방부가 형성되어 있다. 개방부의 형상은 노치(notch) 형상(H1)일 수 있다. 또 다른 실시 형태인 도 4c를 참조하면, 개방부는 홀(hole) 형상(H2)일 수도 있다. 그러나, 개방부의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 절연 냉각액의 유출입이 가능한 형상이라면 어떤 형상이라도 가능하다.
이와 같은 실시 형태에 의하면, 크로스 빔(20)이 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)와 간격 없이 접하여 맞닿아 있기 때문에, 배터리 팩(1)이 크로스 빔(20)에 의해 충분히 지지될 수 있고, 그에 따라, 자동차 사고 등의 외부 충격이 발생하더라도, 배터리 팩(1) 내부의 배터리 셀(31)들을 효과적으로 보호할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실시 형태는, 크로스 빔(20)이 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)로부터 소정 간격 이간되어 있는 구조(도 2 참조), 또는 크로스 빔(20)에 개방부가 형성되어 있는 구조(도 4a 내지 도 4c 참조)에 한정되지 않으며, 각 실시 형태가 조합되어 적용될 수 있다. 예를 들면, 가로 빔에는 크로스 빔(20)이 팩 케이스(10)의 측부 커버(13)로부터 소정 간격 이간되어 있는 구조가 적용되고, 세로 빔에는 크로스 빔(20)에 개방부가 형성되어 있는 구조가 적용될 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
다음으로, 배터리 모듈(30)에 대해 설명한다.
도 5는, 도 2의 점선 부분을 확대한 평면도이고, 도 6은, 도 5와는 또 다른 실시 형태를 나타내는 평면도이다.
여기서, 배터리 모듈(30)이란, 복수의 배터리 셀(31)들이 모여있는 집합체로 정의되며, 배터리 모듈(30)이 반드시 물리적인 배터리 모듈 케이스를 구비해야 하는 것은 아니다. 다만, 배터리 모듈(30)이, 본 발명의 다른 실시 형태에서 배터리 모듈 케이스를 구비할 수 있음은 물론이다.
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(30)은, 복수의 배터리 셀(31)을 포함한다.
도 2에서 점선으로 표시된 부분이 하나의 배터리 모듈(30)에 해당한다. 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(30)은 복수의 코너 영역(301, 302, 303, 304)을 구비할 수 있다. 도 6에서는 배터리 모듈(30)의 전체적인 형상이 평면도를 기준으로 볼 때 대략 사각형인 경우를 도시하고 있고, 이에 따라 네 군데의 코너 영역(301, 302, 303, 304)을 구비하고 있는 경우만이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 배터리 모듈(30)이 이러한 형상으로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 일 실시 형태에 따른 배터리 모듈(30)은, 물리적인 배터리 모듈 케이스를 구비하지 않을 수도 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 배터리 모듈(30)은 복수의 배터리 셀(31)이 모여있는 집합체로서, 구체적으로는, 크로스 빔(20)에 의해 구획된 팩 케이스(10) 내부 공간에 위치하는 배터리 셀(31)들의 집합체를 의미한다.
상기 배터리 모듈(30)은, 팩 케이스(10)의 내부로 유입된 절연 냉각액이 유입되고 유출되는 인렛 및 아웃렛을 구비한다. 상기 인렛 및 아웃렛이란, 예를 들어 절연 냉각액의 통로로서 기능하는 파이프 및/또는 홀 등을 지칭하는 것일 수도 있으나, 이와는 달리 배터리 모듈(30) 내에서의 절연 냉각액의 흐름을 설명하는데 있어서 설명의 편의를 위해 도입된 명칭에 불과할 수도 있다.
상기 배터리 모듈(30)이 복수의 배터리 셀(31)을 수용하는 별도의 모듈 케이스(미도시)를 구비하는 경우에는 절연 냉각액이 배터리 셀(31)들과 직접 접촉하기 위해서는 모듈 케이스에 절연 냉각액의 유입 및 유출을 위한 실질적인 통로가 존재해야 한다. 따라서, 이 경우에는 상기 인렛 및 아웃렛은 통로로서 기능하는 파이프 및/또는 홀 등의 물리적인 요소를 지칭하는 것일 수 있다.
이와는 반대로 배터리 모듈(30)이 별도의 모듈 케이스를 포함하지 않고, 이에 따라 복수의 배터리 셀(31)들이 팩 케이스(10)의 하부 커버(11) 상에 배치되어 있는 형태를 갖는 경우라면, 인렛 및 아웃렛은 실제로 존재하는 물리적인 요소라기 보다는 절연 냉각액이 유입되는 영역 및 유출되는 영역을 지칭하는 것일 수 있다. 물론, 상기 배터리 모듈(30)이 모듈 케이스를 포함하지 않는 경우에도, 배터리 모듈(30) 절연 냉각액의 유입 영역 및 유출 영역에서 절연 냉각액의 흐름을 잘 가이드 해주기 위한 가이드 플레이트나 파이프 등의 물리적인 요소가 적용되는 것도 가능하다. 따라서, 이 경우에는 모듈 케이스의 부존재에도 불구하고 인렛 및 아웃렛은 물리적인 요소를 지칭하는 것일 수도 있다.
도 2 내지 도 4c를 참조할 때, 크로스 빔(20)으로 구획된 복수의 공간은 크로스 빔(20)과 측부 커버(13)의 이간에 의해 형성되는 간격(G) 또는 크로스 빔(20)에 형성되는 노치나 홀 등의 형태를 갖는 개방부에 의해 상호 연통된다. 즉, 상기 가로 빔(21) 또는 세로 빔(22)을 사이에 두고 일 측에 위치하는 배터리 모듈(30)의 아웃렛 및 타 측에 위치하는 배터리 모듈(30)의 인렛은 크로스 빔(20) 자체에 형성되거나 또는 크로스 빔(20)과 측부 커버(13) 사이에 형성되는 냉각액 통로와 대응되는 위치에 구비된다.
한편, 상기 배터리 모듈(30)의 인렛 및 아웃렛은 각각, 복수의 코너 영역(301, 302, 303, 304) 중 어느 하나에 위치될 수 있다. 이를 테면, 도 5의 배터리 모듈(30)을 참조할 때, 왼쪽 아래 코너 영역(301)에 인렛이 위치되고, 오른쪽 위 코너 영역(302)에 아웃렛이 위치되어서, 인렛으로 유입된 절연 냉각액이 배터리 모듈(30) 내를 통과하여 아웃렛으로 유출될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 모듈(30)은, 배터리 모듈(30)의 일 측에 위치하는 인렛으로 유입된 절연 냉각액이 배터리 모듈(30)을 가로질러 상기 인렛의 반대편에 위치하는 아웃렛으로 유출되는 구조일 수 있다. 이를 테면, 도 5의 왼쪽 아래 코너 영역(301)에 위치한 인렛으로 절연 냉각액이 유입되고, 배터리 모듈(30)을 가로지르는 상기 인렛의 반대편 측의 아웃렛, 즉 코너 영역(302)에 위치한 아웃렛으로 절연 냉각액이 유출되는 구조일 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 특정 배터리 모듈(30)의 아웃렛에서 유출된 절연 냉각액은, 인접한 배터리 모듈(30)의 인렛으로 유입될 수 있다. 특히, 팩 케이스(10)의 냉각액 유입부(P1)로 유입된 절연 냉각액은, 배터리 팩(1)에 포함된 모든 배터리 모듈(30)을 순차적으로 통과한 뒤, 냉각액 유출부(P2)로 유출될 수 있다.
절연 냉각액의 흐름을 도 2를 참조하여 예시적으로 설명하면, 냉각액 유입부(P1)를 통해 제1 배터리 모듈(30A)에 유입된 절연 냉각액은 제1 배터리 모듈(30A)의 인렛으로부터 아웃렛으로 이동하고 냉각액 통로를 거쳐 제2 배터리 모듈(30B)로 유입된다. 상기 제2 배터리 모듈(30B)의 인렛으로 유입된 절연 냉각액은 제2 배터리 모듈(30B)의 아웃렛 및 냉각액 통로를 거쳐 제3 배터리 모듈(30C)로 유입된다. 상기 제3 배터리 모듈(30C)의 인렛으로 유입된 절연 냉각액은 제3 배터리 모듈(30C)의 아웃렛 및 냉각액 통로를 거쳐 제4 배터리 모듈(30D)로 유입된다. 상기 제4 배터리 모듈(30D)의 인렛으로 유입된 절연 냉각액은 제4 배터리 모듈(30D)의 아웃렛 및 냉각액 유출부(P2)를 거쳐 배터리 팩(1)의 외부로 배출된다.
이로써, 유입된 절연 냉각액이 모든 배터리 모듈(30)을 냉각한 뒤 유출될 수 있고, 그 결과 절연 냉각액이 모든 배터리 셀(31)과 직접 접촉할 수 있게 되어 냉각 효율이 최대한으로 발현될 수 있다.
한편, 도 1 등의 실시 형태에서는, 배터리 셀(31)이 원통형 셀인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 각형 셀이나 파우치형 셀이 될 수도 있다.
한편, 복수의 배터리 셀(31)은 크로스 빔(20)에 의해 구획된 공간 내에 배치된다. 배터리 모듈(30) 내에 포함된 모든 배터리 셀(31)은 절연 냉각액과 직접 접촉할 수 있다.
이에 따라, 절연 냉각액과 각 배터리 셀(31)의 접촉 면적이 최대한으로 확보되어, 배터리 팩(1)의 전체적인 냉각 효율이 향상될 수 있다. 아울러, 배터리 셀(31)들이 각각 절연 냉각액과 직접 접촉하는 본 발명의 구조에 의해, 별도의 공간을 차지하는 열 흡수원(Heat sink)을 구성 요소로써 필요로 하지 않기 때문에, 배터리 팩(1) 제조 비용을 절감할 수 있고, 나아가, 배터리 팩(1)의 소형화를 도모할 수 있게 된다. 또한, 배터리 셀(31)의 하부면, 측부 외주면, 경우에 따라 상부면 까지도 절연 냉각액과 직접 접촉하는 본 발명의 구조에 의해, 냉각 면적이 넓어져서 배터리 팩(1)의 냉각 효율이 극대화될 수 있다.
도 5와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 모듈(30)에 포함된 복수의 배터리 셀(31)은 서로 일정 간격을 두고 배치될 수 있다. 예를 들면, 바둑판식 배열로 배치될 수 있다.
이 실시 형태에 의하면, 배터리 셀(31)을 일정 간격으로 배치하므로, 구조적으로 간단하여 배터리 팩(1)의 제조 편의성이 증대된다.
본 발명의 다른 실시 형태로서, 도 6을 참조하면, 배터리 모듈(30)에 포함된 복수의 배터리 셀(31)의 배치 밀도는, 특정 방향으로 갈수록 점진적으로 증가 또는 점진적으로 감소하도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(31)의 배치 형상은 그라데이션 (gradation) 형상일 수 있다.
이를 테면, 도 6과 같이, 배터리 모듈(30)에 포함된 배터리 셀(31)의 배치 밀도는, 인렛에서부터 아웃렛에 이르는 경로 중 최단 거리 경로(S)로부터 거리가 먼 영역일수록 낮게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 인렛에서부터 아웃렛에 이르는 최단 거리 경로(S)에는 배터리 셀(31)을 상대적으로 높은 밀도로 배치하여, 다른 경로에 비해 절연 냉각액이 원활하게 흐르지 못하도록 하고, 상기 최단 거리 경로(S)로부터 먼 영역일수록 배터리 셀(31)을 상대적으로 낮은 밀도로 배치하여, 절연 냉각액이 최단 거리 경로(S)를 통해 집중적으로 흐르는 현상을 방지할 수 있다. 특히, 배터리 모듈(30)의 코너 영역(301, 302, 303, 304) 중, 인렛 및 아웃렛이 위치하지 않은 코너 영역(303, 304)에는, 물리적인 구조상, 절연 냉각액이 잘 흘러 들어오지 못하는 문제점이 있을 수 있는데, 본 발명에서는, 코너 영역(303, 304)에서의 배터리 셀(31) 배치 밀도를 도 6과 같이 가장 낮게 형성함으로써, 인렛 및 아웃렛이 위치하지 않은 코너 영역(303, 304)까지도 절연 냉각액이 원활하게 흘러 들어오게 할 수 있다.
이와 같은 구조에 의해, 본 발명에서는 인렛 및 아웃렛이 위치하지 않은 코너 영역(303, 304) 부근에 위치한 배터리 셀(31)들 까지도 효과적으로 냉각하여, 배터리 모듈(30)의 냉각 효율을 전체적으로 고르게 향상시킬 수 있다.
도 7은, 본 발명의 배터리 팩(1)을 포함하는 자동차(2)를 나타내는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 자동차(2)는, 본 발명에 따른 배터리 팩(1)을 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 통상의 기술자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 배터리 팩
2 자동차
10 팩 케이스
11 하부 커버
12 상부 커버
13 측부 커버
20 크로스 빔
21, 211, 212 가로 빔
22 세로 빔
30 배터리 모듈
31 배터리 셀
301, 302, 303, 304 코너 영역
P1 냉각액 유입부
P2 냉각액 유출부
G 간격
S 최단 거리 경로

Claims (13)

  1. 절연 냉각액이 유입되고 유출되는 냉각액 유입부 및 냉각액 유출부를 구비하는 팩 케이스;
    상기 팩 케이스 내부에 배치되며, 상기 절연 냉각액이 통과할 수 있는 공간이 형성되도록 구비되는 크로스 빔; 및
    복수의 배터리 셀을 포함하며, 상기 크로스 빔에 의해 구획된 공간 내에 각각 배치되는 복수의 배터리 모듈;
    을 포함하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팩 케이스는, 상기 냉각액 유입부 및 상기 냉각액 유출부를 제외하고는 기밀된 상태인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 내에 포함된 복수의 배터리 셀은 상기 절연 냉각액과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 일 측에 위치하는 인렛으로 절연 냉각액이 유입되고, 상기 배터리 모듈을 가로질러 상기 인렛의 반대편에 위치하는 아웃렛으로 절연 냉각액이 유출되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수의 코너 영역을 포함하고,
    상기 배터리 모듈의 상기 인렛 및 상기 아웃렛은 각각, 상기 복수의 코너 영역 중 어느 하나에 위치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 4 항에 있어서,
    특정 배터리 모듈의 아웃렛에서 유출된 절연 냉각액은, 인접한 배터리 모듈의 인렛으로 유입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 팩 케이스의 상기 냉각액 유입부로 유입된 절연 냉각액은, 상기 배터리 팩에 포함된 모든 배터리 모듈을 순차적으로 통과한 뒤, 상기 냉각액 유출부로 유출되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 포함된 다수의 배터리 셀은 서로 일정 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 밀도는, 특정 방향으로 갈수록 점진적으로 증가 또는 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 포함된 상기 배터리 셀의 배치 밀도는,
    상기 인렛에서부터 상기 아웃렛에 이르는 경로 중 최단 거리 경로로부터 거리가 먼 영역일수록 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 크로스 빔은 상기 팩 케이스의 측부 커버와 소정 간격 이간되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 크로스 빔은 상기 팩 케이스의 측부 커버와 접해 있고,
    상기 크로스 빔의 적어도 일부에, 절연 냉각액의 유출입이 가능한 개방부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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