KR20220165590A - 절연 냉각액을 이용한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀 및 인접한 배터리 셀 사이에 개재되어 절연 냉각액이 상기 배터리 셀과 직접 접촉하며 흐를 수 있도록 하는 냉각액 유로를 구비하는 유로 스페이서를 포함하는 셀 적층체 어셈블리를 포함하는 서브 모듈; 상기 서브 모듈을 수용하는 모듈 하우징; 상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측 개구부를 커버하며 절연 냉각액의 유입을 위한 인렛을 구비하는 프론트 실링 플레이트; 및 상기 모듈 하우징의 길이 방향 타 측 개구부를 커버하며 절연 냉각액의 배출을 위한 아웃렛을 구비하는 리어 실링 플레이트; 를 포함한다.

Description

절연 냉각액을 이용한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차{Battery module having a cooling structure using Insulation coolant, and a battery pack and vehicle comprising the same}
본 발명은, 절연 냉각액을 이용한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 모듈 하우징 내로 유입되어 배터리 셀을 냉각시키는 절연 냉각액이 배터리 셀의 전극 리드, 버스바 등의 부품들과 직접 접촉하여 효율적인 냉각을 실현하고, 또한 인접한 배터리 셀 사이의 유로를 통해 절연 냉각액의 효율적 흐름을 가능하게 하는 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
냉각수를 이용한 간접 수냉 방식을 취하는 배터리 모듈의 경우 냉각수가 배터리 셀과 직접 접촉하지 않고 배터리 셀을 수용하는 모듈 하우징을 통해 간접적으로 접촉하기 때문에 그 냉각 성능에 한계가 있다. 또한, 냉각을 위한 유로 형성을 위해 별도의 히트 싱크 등의 냉각 장치가 모듈 하우징의 외측에 구비되어야 하기 때문에 배터리 모듈 전체의 부피가 커질 수 밖에 없어 에너지 밀도의 측면에서 손실이 발생할 수 밖에 없다.
이러한 간접 수냉 방식의 문제점을 해결하기 위해 냉각액이 모듈 하우징 내로 직접 유입되어 배터리 셀 및 전기적 연결 부품들과의 직접 접촉을 통한 신속한 냉각을 실현할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈의 개발이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 절연 냉각액이 배터리 모듈의 내부로 유입되어 배터리 셀 및 전기적 연결 부품들과 직접 접촉하여 효율적인 냉각이 실현될 수 있는 구조를 가지며, 또한 배터리 모듈의 내부로 유입된 냉각액이 원활하게 흐를 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀 및 인접한 배터리 셀 사이에 개재되어 절연 냉각액이 상기 배터리 셀과 직접 접촉하며 흐를 수 있도록 하는 냉각액 유로를 구비하는 유로 스페이서를 포함하는 셀 적층체 어셈블리를 포함하는 서브 모듈; 상기 서브 모듈을 수용하는 모듈 하우징; 상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측 개구부를 커버하며 절연 냉각액의 유입을 위한 인렛을 구비하는 프론트 실링 플레이트; 및 상기 모듈 하우징의 길이 방향 타 측 개구부를 커버하며 절연 냉각액의 배출을 위한 아웃렛을 구비하는 리어 실링 플레이트; 를 포함한다.
상기 냉각액 유로는, 상기 유로 스페이서의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다.
상기 유로 스페이서는, 상기 유로 스페이서의 높이 방향을 따라 상기 유로 스페이서의 일 측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 상기 유로 스페이서의 타 측에 위치하는 제2 배터리 셀과 교번하여 접할 수 있다.
상기 냉각액 유로는, 상기 유로 스페이서와 상기 제1 배터리 셀 사이에 형성되는 제1 냉각액 유로 및 상기 유로 스페이서와 상기 제2 배터리 셀 사이에 형성되는 제2 냉각액 유로를 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각액 유로 및 제2 냉각액 유로는, 상기 유로 스페이서의 높이 방향을 따라 교번하여 형성될 수 있다.
상기 유로 스페이서는, 상기 유로 스페이서의 일 측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 타 측에 위치하는 제2 배터리 셀과 이격되어 배치되는 제1 부분; 및 상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 접하는 제2 부분; 을 포함할 수 있다.
상기 냉각액 유로는, 상기 제1 부분과 제1 배터리 셀 사이 및 상기 제1 부분과 제2 배터리 셀 사이에 각각 형성되는 제1 냉각액 유로; 및 상기 제2 부분에 의해 둘러싸인 제2 냉각액 유로; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 직접 접촉을 통한 냉각을 수행하고, 상기 제2 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 간접 접촉을 통한 냉각을 수행할 수 있다.
상기 제1 냉각액 유로 및 제2 냉각액 유로는, 상기 유로 스페이서의 높이 방향을 따라 교번하여 형성될 수 있다.
상기 유로 스페이서는, 상기 서브 모듈의 상단과 모듈 하우징 사이 및 상기 서브 모듈의 하단과 모듈 하우징 사이에 각각 개재되는 제1 스페이서; 및 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀 사이에 개재되는 제2 스페이서; 를 포함할 수 있다.
상기 제2 스페이서는, 상기 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀 사이에 형성되는 공간 내에 부분적으로 개재될 수 있다.
상기 제2 스페이서는, 상기 제1 스페이서와 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제2 스페이서는, 상기 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀 사이를 연통시키는 복수의 스페이서 홀을 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 및 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 절연 냉각액이 배터리 모듈의 내부로 유입되어 배터리 셀 및 전기적 연결 부품들과 직접 접촉하고 또한 배터리 모듈의 내부로 유입된 냉각액이 원활하게 흐를 수 있기 때문에 효율적이고 신속한 냉각이 가능하게 된다.
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 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 완성 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 3a는 도 3에 도시된 유로 스페이서의 다른 형태를 나타내는 도면이다.
도 3b 내지 도 3d는 도 3에 도시된 유로 스페이서의 또 다른 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 모듈에 있어서, 프론트 엔드 플레이트 및 프론트 실링 플레이트를 제거한 상태를 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 냉각을 위한 절연 냉각액의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 버스바 프레임과 유로 스페이서의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 단자 어셈블리의 구체적인 구조를 나타내는 도면이다.
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 아니 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 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 서브 모듈(100), 모듈 하우징(200), 프론트 실링 플레이트(300) 및 리어 실링 플레이트(400)를 포함한다. 상기 배터리 모듈은, 상술한 구성 요소 이 외에도 프론트 엔드 플레이트(500) 및/또는 리어 엔드 플레이?y(600) 및/또는 한 쌍의 단자 어셈블리(700)를 더 포함할 수도 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 상기 서브 모듈(100)은, 셀 적층체 어셈블리(110)를 포함한다. 상기 서브 모듈(100)은, 셀 적층체 어셈블리(110) 이 외에도 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A) 및 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)를 더 포함할 수도 있다.
상기 셀 적층체 어셈블리(110)는, 복수의 배터리 셀(111) 및 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되는 적어도 하나의 유로 스페이서(112)를 포함한다. 상기 셀 적층체 어셈블리(110)는, 그 밖에도 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드(113)를 더 포함할 수도 있다. 상기 배터리 셀(111), 유로 스페이서(112) 및 완충 패드(113)는 지면(X-Y 평면에 나란한 면)에 수직하게 기립된 형태로 적층되어 하나의 셀 적층체 어셈블리(110)를 형성한다.
상기 배터리 셀(111)로는 배터리 셀(111)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 인출되는 한 쌍의 전극 리드(111a)를 구비하는 파우치 타입의 배터리 셀이 이용될 수 있다.
도 3 내지 도 3d, 그리고 도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 상기 유로 스페이서(112)는, 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되어 배터리 모듈 내부로 유입된 절연 냉각액 중 적어도 일부가 배터리 셀(111)과 직접 접촉하며 흐를 수 있도록 하는 냉각액 유로(112a)를 구비한다. 상기 냉각액 유로(112a)는, 복수 개가 구비될 수 있다. 상기 냉각액 유로(112a)는 유로 스페이서(112)의 길이 방향(X축과 나란한 방향)을 따라 연장된다.
상기 유로 스페이서(112)는 인접한 배터리 셀(111)의 사이마다 개재될 수 있다. 이 경우, 각각의 배터리 셀(111)들은 그 일 면 및 타 면 모두가 유로 스페이서(112)와 접하게 되므로, 냉각 효과는 극대화 되며 배터리 모듈 내로 유입된 절연 냉각액의 흐름이 더욱 원활하게 된다는 장점이 있다. 한편, 이와는 달리, 상기 유로 스페이서(112)의 개수는 배터리 셀(111) 개수의 대략 1/2만큼만 적용될 수도 있다. 구체적으로, 복수의 유로 스페이서(112)들은, 서로 이웃하는 한 쌍의 유로 스페이서(112) 사이에는 한 쌍의 배터리 셀(111)이 위치하도록 배치될 수도 있다. 이 경우, 모든 배터리 셀(111)은 양 면 중 한쪽 면만이 유로 스페이서(112)와 접촉하게 된다. 상기 복수의 유로 스페이서(112)들이 이와 같이 배치되는 경우, 직접 냉각에 따른 배터리 셀(111) 냉각 효율의 향상 및 에너지 밀도의 향상을 모두 실현할 수 있다.
도 5 및 도 6과 함께 도 3을 참조하면, 상기 유로 스페이서(112)는, 유로 스페이서(112)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 유로 스페이서(112)의 일 측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 유로 스페이서의 타 측에 위치하는 제2 배터리 셀과 교번하여 접하는 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 냉각액 유로(112a)는, 유로 스페이서(112)와 제1 배터리 셀 사이에 형성되는 제1 냉각액 유로 및 유로 스페이서(112)와 제2 배터리 셀 사이에 형성되는 제2 냉각액 유로를 포함한다. 상기 제1 냉각액 유로 및 제2 냉각액 유로는, 유로 스페이서(112)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 교번하여 형성된다.
상술한 바와 같은 도 3에 도시된 유로 스페이서(112) 구조에 따르면, 제1 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 제1 배터리 셀과 직접 접촉하여 냉각을 수행한다. 상기 제2 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 제2 배터리 셀과 직접 접촉하여 냉각을 수행한다.
다음은, 도 5 및 도 6과 함께 도 3a를 참조하여, 앞서 설명한 도 3의 유로 스페이서와는 다른 형태를 갖는 유로 스페이서의 구조에 대해서 설명하기로 한다. 상기 유로 스페이서(112)는, 유로 스페이서(112)의 일 측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 타 측에 위치하는 제2 배터리 셀과 이격되어 배치되는 제1 부분 및 한 쌍의 배터리 셀 모두와 접하는 제2 부분을 포함한다.
이 경우, 상기 냉각액 유로(112)는, 제1 부분과 제1 배터리 셀 사이 및 제2 부분과 제2 배터리 셀 사이에 각각 형성되는 제1 냉각액 유로, 그리고 제2 부분에 의해 둘러싸인 제2 냉각액 유로를 포함한다. 상기 제1 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 배터리 셀(111)과의 직접 접촉을 통한 냉각을 수행하고, 제2 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은 배터리 셀(111)과의 간접 접촉을 통한 냉각을 수행한다. 또한, 상기 제1 냉각액 유로 및 제2 냉각액 유로는, 유로 스페이서의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 교번하여 형성된다.
다음은, 도 2, 5 및 도 6과 함께 도 3b 내지 도 3d를 참조하여, 앞서 설명한 도 3 및 도 3a에 도시된 유로 스페이서와는 다른 형태를 갖는 유로 스페이서의 구조에 대해서 설명하기로 한다.
도 2, 도 5 및 도 6과 함께 도 3b 내지 도 3d를 참조하면, 상기 유로 스페이서(112)는, 제1 스페이서(1121) 및 제2 스페이서(1122)를 포함한다. 상기 제1 스페이서(1121)는 서브 모듈(100)의 상단과 모듈 하우징(200) 사이 및 서브 모듈(100)의 하단과 모듈 하우징(200) 사이에 각각 개재된다. 상기 제2 스페이서(1122)는 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀(111) 사이에 개재된다.
상기 제2 스페이서(1122)는, 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀(111) 사이에 형성되는 공간 내에 부분적으로 개재된다. 상기 제2 스페이서(1122)는, 제1 스페이서(1121)와 이격되어 배치됨으로써 제1 스페이서(1121)와 제2 스페이서(1122) 사이에 냉각액 유로(112a)가 형성되도록 한다. 상기 냉각액 유로(112a)를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 배터리 셀(111)과 직접 접촉하여 냉각을 수행한다. 상기 제2 스페이서(1122)는, 도 3d에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀(111) 사이를 연통시키는 복수의 스페이서 홀을 구비할 수도 있다.
한편, 본 발명에 있어서 냉각에 이용되는 절연 냉각액은, 절연성을 향상시킨 냉각액으로서, 예를 들어 절연유가 이용될 수 있다.
상기 완충 패드(113)는, 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되어 배터리 셀(111)의 스웰링에 따른 부피 팽창을 흡수할 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A) 및 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)는, 각각 셀 적층체 어셈블리(110)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 및 타 측에 결합되어 복수의 배터리 셀(111)들 사이가 전기적으로 연결되도록 한다. 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)는 내부 단자(123)를 구비하고 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)는 내부 단자(123)를 구비하지 않는다는 점을 제외하면 실질적으로 동일한 구조를 갖는다. 따라서, 상기 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)의 구체적인 구조에 대한 자세한 설명은 생략하기로 하며, 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)의 구체적인 구조에 대해서 집중적으로 설명하기로 한다.
상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)는, 버스바 프레임(121), 복수의 버스바(122) 및 한 쌍의 내부 단자(123)를 포함한다. 상기 버스바 프레임(121)은, 셀 적층체 어셈블리(110)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측을 커버한다.
상기 버스바 프레임(121)은, 복수의 냉각액 홀(121a)을 구비한다. 상기 냉각액 홀(121a)은, 프론트 실링 플레이트(300)에 구비된 인렛(P1)을 통해 모듈 하우징(200)의 내부로 유입된 절연 냉각액이 버스바 프레임(121)을 통과해 셀 적층체 어셈블리(110)쪽으로 유입될 수 있도록 하는 통로로서 기능한다.
이러한 기능을 감안하여, 상기 냉각액 홀(121a)은, 셀 적층체 어셈블리(110)에 구비된 유로 스페이서(112)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 또한, 상기 냉각액 홀(121a)은, 유로 스페이서(112)와 대응되는 사이즈를 가질 수 있다.
상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)에 형성된 냉각액 홀(121a)을 통해 셀 적층체 어셈블리(110)쪽으로 유입된 냉각액은 화살표(도 5 및 도 6 참조)를 따라 유로 스페이서(112)에 의해 형성된 냉각액 유로(112a)를 통해 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)쪽으로 이동한다. 상기 리어 버스바 프레임(120B)쪽으로 이동한 절연 냉각액은 리어 버스바 프레임(120B)에 형성된 냉각액 홀(121a)을 통해 리어 실링 플레이트(400)쪽으로 유입되고, 리어 실링 플레이트(400)에 구비된 아웃렛(P2)을 통해 배터리 모듈의 외부로 배출된다.
이 과정에서 상기 절연 냉각액은 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a), 버스바(122) 및 배터리 셀(111)의 바디와 직접 접촉하여 배터리 셀(111)을 효과적으로 냉각시킨다. 또한, 본 발명의 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)가 내부 단자(123)를 구비하는 경우, 절연 냉각액은 내부 단자(123)와도 직접 접촉하게 된다.
상기 버스바(122)는, 버스바 프레임(121) 상에 고정되며, 버스바 프레임(121)에 형성된 리드 슬릿을 통해 인출된 전극 리드(111a)와 결합되어 복수의 배터리 셀(111)을 전기적으로 연결시킨다. 상기 버스바(122)는, 버스바 프레임(121)과 마찬가지로 절연 냉각액이 통과할 수 있도록 유로 스페이서(112)와 대응되는 위치에 형성되는 냉각액 홀을 구비할 수 있다.
상기 내부 단자(123)는, 버스바 프레임(121) 상에 고정되며, 셀 적층체 어셈블리(110)에 구비된 배터리 셀(111)들 중 최 외각에 위치한 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a)와 결합된다. 상기 내부 단자(123)는, 고전위 단자로서 기능한다. 상기 버스바 프레임(121)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측에 위치하는 내부 단자(123)는 양극 고전위 단자로서 기능하고, 버스바 프레임(121)의 길이 방향 타 측에 위치하는 내부 단자(123)는 음극 고전위 단자로서 기능한다. 상기 내부 단자(123)는, 후술할 외부 단자(710)(도 8 및 도 9 참조)와 전기적으로 연결된다.
상기 배터리 모듈의 내부로 유입된 절연 냉각액은, 프론트 실링 플레이트(300)와 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A) 사이의 공간을 채울 수 있고, 또한 리어 실링 플레이트(400)와 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B) 사이의 공간을 채울 수 있다. 이에 따라, 상기 절연 냉각액은, 열이 집중적으로 발생될 수 있는 부품들인 전극 리드(111a), 버스바(122) 및 내부 단자(123)와 접촉하게 되며, 이로써 배터리 모듈을 효율적으로 냉각시키게 된다.
한편, 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)의 버스바 프레임(121) 및 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)의 버스바 프레임(121)은, 상단 및 하단에 길이 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 형성된 복수의 가이드 리브(121b)를 구비할 수 있다. 상기 가이드 리브(121b)는 셀 적층체 어셈블리(110)를 향하는 방향으로 연장된 형태를 갖는다. 상기 가이드 리브(121b)는 유로 스페이서(112)와 대응되는 위치에 형성된다.
한편, 상기 유로 스페이서(112)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 양 측 단부에는 가이드 리브(121b)와 대응되는 형상을 갖는 고정부(112b)가 형성된다. 상기 가이드 리브(121b) 및 고정부(112b)에 의해 유로 스페이서(112)는 상하 방향(Z축에 나란한 방향) 및 길이 방향(X축에 나란한 방향)으로의 움직임이 제한된다. 따라서, 이에 따라 셀 적층체 어셈블리(110)에 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A) 및 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)를 결합할 때 결합 위치가 가이드 될 수 있으며, 이로써 조립의 편의성이 증대될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 상기 모듈 하우징(200)은, 셀 적층체 어셈블리(110), 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A) 및 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)를 포함하는 서브 모듈(100)을 수용한다. 상기 모듈 하우징(200)은, 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 및 타 측이 개방된 형태를 갖는다.
도 5, 도 6, 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 프론트 실링 플레이트(300)는 모듈 하우징(200)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측에 형성된 개구부를 커버한다. 상기 프론트 실링 플레이트(300)는, 절연 냉각액의 유입을 위한 인렛(P1)을 구비한다. 절연 냉각액이 누액되는 것을 방지하기 위해, 프론트 실링 플레이트(300)의 테두리 면과 모듈 하우징(200)의 내측면 사이에는 가스켓(G)이 개재될 수 있다(도 9 참조).
상기 프론트 실링 플레이트(300)는, 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)에 구비된 내부 단자(123)와 후술할 외부 단자(710) 사이의 전기적 연결을 위한 부품이 통과될 수 있도록 하는 한 쌍의 단자 홀(300a)을 구비한다. 상기 단자 홀(300a)은 내부 단자(123)와 대응되는 위치에 형성된다.
도 6을 참조하면, 상기 리어 실링 플레이트(400)는, 모듈 하우징(200)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 타 측 개구부를 커버하며, 절연 냉각액의 배출을 위한 아웃렛(P2)을 구비한다. 상기 프론트 실링 플레이트(300)의 경우와 마찬가지로, 절연 냉각액이 누액되는 것을 방지하기 위해, 프론트 실링 플레이트(300)의 테두리 면과 모듈 하우징(200)의 내측면 사이에는 가스켓(G)이 개재될 수 있다.
상기 프론트 실링 플레이트(300) 및 리어 실링 플레이트(400)는, 전기적 절연을 위해 절연성 수지로 이루어질 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 단자 어셈블리(700)는, 프론트 실링 플레이트(300)의 외측에 위치하는 외부 단자(710) 및 외부 단자(710)와 배터리 셀(111) 사이를 전기적으로 연결하는 스터드(720)를 포함한다. 상기 스터드(720)는 내부 단자(123)에 고정된다. 상기 스터드(720)는 내부 단자(123)를 관통하여 압입 방식에 의해 내부 단자(123)에 고정될 수 있다. 상기 내부 단자(123)에 고정된 스터드(720)는 프론트 실링 플레이트(300)에 형성된 단자 홀(300a)을 통해 외부로 인출되어 외부 단자(710)와 결합된다.
상기 단자 어셈블리(700)는, 프론트 실링 플레이트(300)에 형성된 단자 홀(300a)에 삽입되는 링 형상의 단자 스페이서(730)를 더 포함할 수 있다. 상기 단자 스페이서(730)는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 상기 단자 스페이서(730)가 구비되는 경우 스터드(720)는 단자 스페이서(730)를 관통하게 된다.
상기 단자 어셈블리(700)는, 외부 단자(710)를 스터드(720)에 체결시키기 위한 체결 너트(740)를 더 포함할 수 있다. 상기 체결 너트(740)는, 단자 스페이서(730) 및 외부 단자(710)의 체결부(712)를 관통한 스터드(720)에 체결되어 외부 단자(710)의 체결부(712)가 단자 스페이서(730)에 밀착 고정되도록 한다. 이로써, 상기 내부 단자(123)와 외부 단자(710)는 단자 스페이서(730)를 통해 상호 간에 전기적으로 연결된다.
상기 단자 어셈블리(700)는, 단자 스페이서(730)의 외주면을 커버하며 프론트 실링 플레이트(300)의 내측면과 내부 단자(123) 사이에 개재되는 제1 오링(O-ring)(750)을 더 포함할 수 있다. 도 9를 참조하면, 상기 제1 오링(750)은, 프론트 실링 플레이트(300)와 버스바 프레임(121) 사이의 공간으로 유입된 절연 냉각액이 냉각액 홀(300a)의 내측면과 단자 스페이서(730) 사이의 공간을 통해 프론트 실링 플레이트(300)의 외측으로 누액되지 않도록 한다.
또한, 상기 단자 어셈블리(700)는, 내부 단자(123)에 압입되어 내부 단자(123)와 버스바 프레임(121) 사이의 공간으로 노출된 스터드(720)의 둘레에 위치하며, 내부 단자(123)와 버스바 프레임(121) 사이에 개재되는 제2 오링(760)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 오링(760)은, 프론트 실링 플레이트(300)와 버스바 프레임(121) 사이의 공간으로 유입된 절연 냉각액이 내부 단자(123)와 스터드(720) 사이의 공간 및 단자 스페이서(730)의 내측면과 스터드(720) 사이의 공간을 통해 프론트 실링 플레이트(300)의 외측으로 누액되지 않도록 한다.
도 1 및 도 2, 그리고 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 프론트 엔드 플레이트(500)는 프론트 실링 플레이트(300)를 커버하며 모듈 하우징(200)에 고정된다. 상기 리어 엔드 플레이트(600)는 리어 실링 플레이트(400)를 커버하며 모듈 하우징(200)에 고정된다.
상기 프론트 엔드 플레이트(500)는 외부 단자(710)의 연결부(711)가 프론트 엔드 플레이트(500)의 외측으로 노출되도록 하는 단자 노출부(500a) 및 인렛(P1)이 프론트 엔드 플레이트(500)의 외측으로 노출되도록 하는 인렛 노출부(500b)를 구비한다. 상기 리어 엔드 플레이트(600)는 아웃렛(P2)이 리어 엔드 플레이트(600)의 외측으로 노출되도록 하는 아웃렛 노출부(600b)를 구비한다.
상기 프론트 엔드 플레이트(500) 및 리어 엔드 플레이트(600)가 적용되는 경우에 있어서, 프론트 엔드 플레이트(500)와 모듈 하우징(200)의 결합 부위, 그리고 리어 엔드 플레이트(600)와 모듈 하우징(200)의 결합 부위 사이에는 절연 냉각액의 누액을 방지하기 위한 가스켓이 개재될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 및 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다. 상기 배터리 팩은, 적어도 하나의 본 발명에 따른 배터리 모듈 및 적어도 하나의 배터리 모듈을 수용하는 팩 하우징을 포함한다. 상기 배터리 모듈은, 프론트 엔드 플레이트(500) 및/또는 리어 엔드 플레이트(600)에 형성된 체결 홀(H)을 통해 팩 하우징에 체결될 수 있다. 즉, 상기 체결 홀(H)은, 팩 하우징과 배터리 모듈의 체결을 위한 볼트 등의 체결 수단이 삽입되는 공간을 제공할 수 있다. 한편, 상기 배터리 팩이 복수의 배터리 모듈을 포함하는 경우, 복수의 배터리 모듈 상호 간의 체결이 프론트 엔드 플레이트(500) 및/또는 리어 엔드 플레이트(600)에 형성된 체결 홀(H)을 통해 이루어지는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 적어도 하나 포함할 수 있다. 상기 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 모듈과 함께 팩 하우징 및/또는 BMS(Battery management system) 등의 부가적인 부품을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩을 적어도 하나 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 예를 들어, 본 발명의 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩에 의해 전력을 공급 받아 동작하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차일 수 있다.
이상에서 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 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100: 서브 모듈
110: 셀 적층체 어셈블리
111: 배터리 셀
111a: 전극 리드
112: 유로 스페이서
1121: 제1 스페이서
1122: 제2 스페이서
112a: 냉각액 유로
112b: 고정부
113: 완충 패드
120A: 프론트 버스바 프레임 어셈블리
120B: 리어 버스바 프레임 어셈블리
121: 버스바 프레임
121a: 냉각액 홀
121b: 가이드 리브
122: 버스바
123: 내부 단자
200: 모듈 하우징
300: 프론트 실링 플레이트
300a: 단자 홀
P1: 인렛(inlet)
G: 가스켓
400: 리어 실링 플레이트
P2: 아웃렛(outlet)
500: 프론트 엔드 플레이트
500a: 단자 노출부
500b: 인렛 노출부
600: 리어 엔드 플레이트
600b: 아웃렛 노출부
700: 단자 어셈블리
710: 외부 단자
711: 연결부
712: 체결부
720: 스터드
730: 단자 스페이서
740: 체결 너트
750: 제1 오링(O-ring)
760: 제2 오링(O-ring)

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀 및 인접한 배터리 셀 사이에 개재되어 절연 냉각액이 상기 배터리 셀과 직접 접촉하며 흐를 수 있도록 하는 냉각액 유로를 구비하는 유로 스페이서를 포함하는 셀 적층체 어셈블리를 포함하는 서브 모듈;
    상기 서브 모듈을 수용하는 모듈 하우징;
    상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측 개구부를 커버하며 절연 냉각액의 유입을 위한 인렛을 구비하는 프론트 실링 플레이트; 및
    상기 모듈 하우징의 길이 방향 타 측 개구부를 커버하며 상기 절연 냉각액의 배출을 위한 아웃렛을 구비하는 리어 실링 플레이트;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각액 유로는,
    상기 유로 스페이서의 길이 방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유로 스페이서는,
    상기 유로 스페이서의 높이 방향을 따라 상기 유로 스페이서의 일 측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 상기 유로 스페이서의 타 측에 위치하는 제2 배터리 셀과 교번하여 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각액 유로는,
    상기 유로 스페이서와 상기 제1 배터리 셀 사이에 형성되는 제1 냉각액 유로 및 상기 유로 스페이서와 상기 제2 배터리 셀 사이에 형성되는 제2 냉각액 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 냉각액 유로 및 제2 냉각액 유로는,
    상기 유로 스페이서의 높이 방향을 따라 교번하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유로 스페이서는,
    상기 유로 스페이서의 일 측에 위치하는 제1 배터리 셀 및 타 측에 위치하는 제2 배터리 셀과 이격되어 배치되는 제1 부분; 및
    상기 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀과 접하는 제2 부분;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각액 유로는,
    상기 제1 부분과 제1 배터리 셀 사이 및 상기 제2 부분과 제2 배터리 셀 사이에 각각 형성되는 제1 냉각액 유로; 및
    상기 제2 부분에 의해 둘러싸인 제2 냉각액 유로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 직접 접촉을 통한 냉각을 수행하고,
    상기 제2 냉각액 유로를 통해 흐르는 절연 냉각액은, 간접 접촉을 통한 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 냉각액 유로 및 제2 냉각액 유로는,
    상기 유로 스페이서의 높이 방향을 따라 교번하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유로 스페이서는,
    상기 서브 모듈의 상단과 모듈 하우징 사이 및 상기 서브 모듈의 하단과 모듈 하우징 사이에 각각 개재되는 제1 스페이서; 및
    서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀 사이에 개재되는 제2 스페이서;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 스페이서는,
    상기 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀 사이에 형성되는 공간 내에 부분적으로 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 스페이서는,
    상기 제1 스페이서와 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 스페이서는,
    상기 서로 인접한 한 쌍의 배터리 셀 사이를 연통시키는 복수의 스페이서 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
KR1020210074423A 2021-06-08 2021-06-08 절연 냉각액을 이용한 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈, 그리고 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차 Pending KR20220165590A (ko)

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