KR20220165592A - 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 개재되는 냉각 핀을 구비하는 셀 적층체 어셈블리를 포함하는 서브 모듈; 상기 서브 모듈을 수용하는 모듈 하우징; 상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측 개구부를 커버하며 냉각액 인렛을 구비하는 프론트 실링 플레이트; 상기 모듈 하우징의 길이 방향 타 측 개구부를 커버하며 냉각액 인렛을 구비하는 리어 실링 플레이트; 및 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱 어셈블리; 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 insulating oil, 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 유입되는 절연 냉각액이 배터리 셀의 셀 윙부와 모듈 하우징 사이의 공간을 통해 흐르며 배터리 셀들을 냉각시키는 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 냉각을 위한 절연 냉각액이 모듈 하우징 내로 직접 유입되어 배터리 셀과 직접 접촉할 수 있는 냉각 구조를 갖는 배터리 모듈의 개발이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 절연 냉각액이 배터리 모듈의 내부로 유입되어 배터리 셀과 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.
그 밖에도, 본 발명은, 배터리 셀의 전압 및 온도를 센싱하기 위해 구비되는 센싱 라인 및 온도 센서가 배터리 모듈 내부를 흐르는 절연 냉각액에 의해 파손되지 않도록 하고, 정확한 온도 측정 역시 가능하게 하는 것을 또 다른 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 개재되는 냉각 핀을 구비하는 셀 적층체 어셈블리를 포함하는 서브 모듈; 상기 서브 모듈을 수용하는 모듈 하우징; 상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측 개구부를 커버하며 인렛을 구비하는 프론트 실링 플레이트; 상기 모듈 하우징의 길이 방향 타 측 개구부를 커버하며 아웃렛을 구비하는 리어 실링 플레이트; 및 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱 어셈블리; 를 포함한다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 서브 모듈의 상단에 배치될 수 있다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 복수의 배터리 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 길이 방향 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장되는 센싱 라인을 포함할 수 있다.
상기 센싱 라인은, 상기 배터리 셀의 셀 바디부 및 상기 셀 바디부를 향해 폴딩된 셀 윙부 사이에 개재될 수 있다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 센싱 라인 상에 실장되는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 센서는, 상기 배터리 셀의 셀 바디부 및 상기 바디를 향해 폴딩된 셀 윙부 사이에 개재될 수 있다.
상기 냉각 핀은, 서로 인접한 배터리 셀 사이에 개재되는 바디 접촉부; 및 상기 바디 접촉부의 상단 또는 하단 중 어느 한 곳에서 절곡되어 상기 배터리 셀의 셀 윙부를 커버하는 윙 커버부; 를 포함할 수 있다.
상기 서브 모듈은, 상기 셀 적층체 어셈블리의 길이 방향 일 측에 결합되는 프론트 버스바 프레임 어셈블리; 및 상기 셀 적층체 어셈블리의 길이 방향 타 측에 결합되는 리어 버스바 프레임 어셈블리; 를 포함할 수 있다.
상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리 및 리어 버스바 프레임 어셈블리는, 상기 모듈 하우징과 배터리 셀의 셀 윙부 사이 및 상기 윙 커버부와 배터리 셀의 셀 윙부 사이에 형성되는 냉각액 유로와 대응되는 위치에 형성되는 복수의 냉각액 홀을 구비할 수 있다.
상기 인렛을 통해 상기 모듈 하우징 내부로 유입된 절연 냉각액은, 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리에 형성된 냉각액 홀을 통과하여 상기 냉각액 유로에 유입될 수 있다.
상기 냉각액 유로를 통과한 절연 냉각액은, 상기 리어 버스바 프레임 어셈블리에 형성된 냉각액 홀을 통과하고, 상기 아웃렛을 통해 상기 모듈 하우징의 외부로 배출될 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 및 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 절연 냉각액이 배터리 모듈의 내부로 유입되어 배터리 셀과 접촉하고 또한 배터리 모듈의 내부로 유입된 냉각액이 원활하게 흐를 수 있기 때문에 효율적이고 신속한 냉각이 가능하게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 셀의 전압 및 온도를 센싱하기 위해 구비되는 센싱 라인 및 온도 센서가 배터리 모듈 내부를 흐르는 절연 냉각액에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 배터리 셀의 온도를 측정함에 있어서 절연 냉각액에 의한 영향을 최소화 하여 정확한 온도 측정 역시 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 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 7 및 도 8은 본 발명에 따른 냉각 핀 및 배터리 셀의 결합 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 냉각 핀을 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 버스바 프레임 어셈블리와 냉각 핀의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 단자 어셈블리의 구체적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 센싱 어셈블리의 배치 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, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 서브 모듈(100), 모듈 하우징(200), 프론트 실링 플레이트(300), 리어 실링 플레이트(400) 및 센싱 어셈블리(800)를 포함한다. 상기 배터리 모듈은, 상술한 구성요소들 이 외에도 프론트 엔드 플레이트(500) 및/또는 리어 엔드 플레이트(600) 및/또는 한 쌍의 단자 어셈블리(700)를 더 포함할 수도 있다.
도 2 내지 도 9를 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 포함한다.
상기 셀 적층체 어셈블리(110)는, 복수의 배터리 셀(111) 을 포함한다. 상기 셀 적층체 어셈블리(110)는, 그 밖에도 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되는 적어도 하나의 냉각 핀(112) 및/또는 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되는 적어도 하나의 완충 패드(113)를 더 포함할 수도 있다. 상기 복수의 배터리 셀(111)은 지면(X-Y 평면에 나란한 면)에 대략 수직하게 기립된 형태로 적층되어 하나의 셀 적층체 어셈블리(110)를 형성한다. 상기 셀 적층체 어셈블리(110)가 냉각 핀(112) 및/또는 완충 패드(113)를 포함하는 경우, 냉각 핀(112) 및/또는 완충 패드(113)는 복수의 배터리 셀(111)과 함께 지면(X-Y 평면에 나란한 면)에 대략 수직하게 기립된 형태로 적층되어 하나의 셀 적층체 어셈블리(110)를 형성한다.
상기 배터리 셀(111)로는 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 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 냉각 핀(112)은, 서로 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되는 바디 접촉부(112a) 및 바디 접촉부(112a)의 상단 또는 하단 중 어느 한 곳에서 절곡되어 배터리 셀(111)의 셀 윙부(W)를 커버하는 윙 커버부(112b)를 포함한다. 상기 냉각 핀(112)은, 윙 커버부(112b)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 양 측 단부에 형성되는 한 쌍의 고정부(112c)를 더 포함할 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 상기 배터리 셀(111)이 파우치 타입인 경우, 전극 조립체(미도시)가 수용되는 영역을 셀 바디부(B)로 정의하고, 셀 바디부(B)의 둘레에 형성되는 실링 영역 중 배터리 모듈의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 길게 연장된 영역을 셀 윙부(W)로 정의할 수 있다.
상기 바디 접촉부(112a)는, 인접한 한 쌍의 배터리 셀(111) 각각의 셀 바디부(B) 사이에 개재되고, 배터리 셀(111)의 셀 바디부(B)와 직접 접촉한다. 상기 바디 접촉부(112a)는, 배터리 셀(111)의 셀 바디부(B)로부터 발생되는 열을 냉각 핀(112)의 폭 방향, 즉 배터리 모듈의 높이 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 빠르게 전도하여 윙 커버부(112b)쪽으로 이동시킨다. 이처럼 윙 커버부(112b)쪽으로 전도된 열은, 배터리 셀(111)의 셀 윙부(W)와 냉각 핀(112)의 윙 커버부(112b) 사이에 형성된 냉각액 유로(P)를 통해 흐르는 절연 냉각액에 의해 배터리 모듈의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 이동하여 배터리 모듈의 외부로 배출된다.
상기 윙 커버부(112b)는, 상술한 바와 같은 냉각액 유로(P)를 형성하는 것 이 외에도 외부 충격이 가해져 셀 적층체 어셈블리(110)가 모듈 하우징(200) 내에서 상하 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 움직일 때 충격을 흡수하는 기능 또한 수행할 수 있다. 상기 윙 커버부(112b)의 이러한 충격 흡수 기능은, 셀 윙부(W)와 셀 바디부(B) 사이에 개재되는 센싱 라인(810) 및 온도 센서(820)의 파손을 방지하는데 도움을 줄 수 있다(도 13 참조). 상기 센싱 라인(810) 및 온도 센서(820)를 포함하는 센싱 어셈블리(800)에 대해서는 상세히 후술하기로 한다.
상기 고정부(112c)는, 후술할 가이드 리브(121b)와 대응되는 형상을 갖는다. 상기 고정부(112c)는 가이드 리브(121b)와 결합됨으로써, 냉각 핀(112)을 포함하는 셀 적층체 어셈블리(110)와 버스바 프레임 어셈블리(120A, 120B) 간의 체결을 가이드 한다.
상기 완충 패드(113)는, 인접한 배터리 셀(111) 사이에 개재되어 배터리 셀(111)의 스웰링에 따른 부피 팽창을 흡수할 수 있다.
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) 및 리어 버스바 프레임 어셈블리(120B)는, 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.
도 4 내지 도 10을 참조하면, 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)는, 버스바 프레임(121) 및 복수의 버스바(122)를 포함한다. 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)는 상술한 구성요소들 이 외에도 한 쌍의 내부 단자(123)를 더 포함할 수도 있다. 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.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각액 유로(P)는 모듈 하우징(200)과 셀 윙부(W) 사이에 형성된다. 본 발명의 셀 적층체 어셈블리(110)가 냉각 핀(112)을 구비하는 경우, 냉각액 유로(P)는 모듈 하우징(200)과 셀 윙부(W) 사이 이 외에 윙 커버부(112b)와 셀 윙부(W) 사이에도 형성될 수 있다. 이에 따라, 절연 냉각액의 원활한 공급 및 배출을 위해, 상기 냉각액 홀(121a)은, 모듈 하우징(200)과 셀 윙부(W) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 냉각액 홀(121a)은 윙 커버부(112b)와 셀 윙부(W) 사이에 형성되는 냉각액 유로(P)와 대응되는 위치에도 형성될 수 있다.
상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리(120A)에 형성된 냉각액 홀(121a)을 통해 셀 적층체 어셈블리(110)쪽으로 유입된 절연 냉각액은 화살표(도 5 및 도 6 참조)를 따라 냉각액 유로(P)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) 및 셀 윙부(W)와 직접 접촉하여 배터리 셀(111)을 냉각시킨다.
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 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 11 및 도 12 참조)와 전기적으로 연결된다.
한편, 도 5 내지 도 10을 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 구비한다. 상기 가이드 리브(121b)는 셀 적층체 어셈블리(110)를 향하는 방향으로 연장된 형태를 갖는다. 상기 가이드 리브(121b)는 냉각 핀(112)의 고정부(112c)와 대응되는 위치에 형성된다.
상술한 바와 같이, 상기 냉각 핀(112)의 윙 커버부(112b)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 양 측 단부에는 가이드 리브(121b)와 대응되는 형상을 갖는 고정부(112c)가 형성된다. 상기 가이드 리브(121b) 및 고정부(112c)에 의해 냉각 핀(112)은 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 11 및 도 12를 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 냉각액 인렛(P1)을 구비한다. 절연 냉각액이 누유되는 것을 방지하기 위해, 프론트 실링 플레이트(300)의 테두리 면과 모듈 하우징(200)의 내측면 사이에는 가스켓(G)이 개재될 수 있다(도 12 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 냉각액 인렛(P2)을 구비한다. 상기 프론트 실링 플레이트(300)의 경우와 마찬가지로, 절연 냉각액이 누유되는 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 11 및 도 12를 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(외부 단자(710)는 단자 스페이서(730)를 통해 상호 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 11 및 도 12를 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 누유되지 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 누유되지 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 냉각액 인렛(P1)이 프론트 엔드 플레이트(500)의 외측으로 노출되도록 하는 인렛 노출부(500b)를 구비한다. 상기 리어 엔드 플레이트(600)는 냉각액 인렛(P2)이 리어 엔드 플레이트(600)의 외측으로 노출되도록 하는 아웃렛 노출부(600b)를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈에 프론트 엔드 플레이트(500) 및 리어 엔드 플레이트(600)가 적용되는 경우, 프론트 엔드 플레이트(500)와 모듈 하우징(200)의 결합 부위, 그리고 리어 엔드 플레이트(600)와 모듈 하우징(200)의 결합 부위에는 절연 냉각액의 누유 방지를 위한 가스켓이 적용될 수 있다.
도 4, 도 7 및 도 13을 참조하면, 상기 센싱 어셈블리(800)는, 서브 모듈(100)의 상단에 배치되며, 배터리 셀(111)의 전압을 센싱한다. 상기 센싱 어셈블리(800)는, 복수의 배터리 모듈(111)과 전기적으로 연결되며, 배터리 셀(111)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장되는 센싱 라인(810)을 포함한다. 상기 센싱 라인(810)은, 셀 적층체(110)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 및 타 측에서 배터리 셀(111)들과 전기적으로 연결된다. 이러한 센싱 라인(810)과 배터리 셀(111) 간의 전기적 연결은 센싱 라인(810)이 버스바(122)에 결합됨으로써 구현될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 센싱 라인(810)이 배터리 셀(111)의 전극 리드(111a)와 직접 결합되는 것도 가능하다.
상기 센싱 라인(810)은, 파우치 타입 배터리 셀(111)의 셀 바디부(B) 및 셀 바디부(B)를 향해 폴딩된 셀 윙부(W) 사이에 개재될 수 있다. 이는, 상기 배터리 모듈의 내부를 흐르는 절연 냉각액에 의해 센싱 라인(810)이 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 센싱 어셈블리(800)는, 전압의 센싱 이 외에도 배터리 셀(111)의 온도를 센싱하는 기능을 부가적으로 수행할 수 있다. 이를 위해, 상기 센싱 어셈블리(800)는, 센싱 라인(810) 상에 실장되는 적어도 하나의 온도 센서(820)를 더 포함할 수도 있다. 상기 온도 센서(820)는 발열량이 큰 전극 리드(111a)에 인접하도록 배치될 수 있다. 상기 온도 센서(820)는 센싱 라인(810)과 마찬가지로, 배터리 셀(111)의 셀 바디부(B) 및 셀 바디부(W)를 향해 폴딩된 셀 윙부(W) 사이에 개재될 수 있다. 이는, 배터리 모듈의 내부를 흐르는 절연 냉각액에 의해 센싱 라인(810)이 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 이는 상기 온도 센서(820)와 절연 냉각액의 접촉을 방지하거나 최소화 함으로써 배터리 셀(111)의 온도를 정확히 센싱할 수 있도록 하기 위함이다. 한편, 상기 센싱 라인(810) 및 온도 센서(820)는, 셀 윙부(W)에 의해 커버된 상태에서 추가적으로 냉각 핀(112)의 윙 커버부(112b)에 의해 커버될 수도 있다.
상기 센싱 어셈블리(800)는, 센싱 라인(810) 이 외에도 센싱 라인(810)과 전기적으로 연결되는 PCB(Printed Circuit Board)(830)를 더 포함할 수도 있다. 상기 PCB(830)는, 버스바 프레임(121) 상에 고정될 수 있다. 상기 PCB(830) 상에는 커넥터 어셈블리(미도시)가 실장될 수 있으며, 이러한 커넥터 어셈블리를 통해 BMS(Battery Management system)(미도시)과 같은 제어 장치가 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 BMS는, 배터리 셀(111)의 전압, 온도 등에 관한 정보를 측정 및/또는 수신하고 이를 참조하여 배터리 모듈의 충방전을 제어할 수 있다.
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. 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 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: 냉각 핀
112a: 바디 접촉부
112b: 윙 커버부
112c: 고정부
113: 완충 패드
P: 냉각액 유로
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)
800: 센싱 어셈블리
810: 센싱 라인
820: 온도 센서
830: PCB(Printed Circuit Board)

Claims (13)

  1. 복수의 배터리 셀 및 인접한 배터리 셀 사이에 개재되는 냉각 핀을 구비하는 셀 적층체 어셈블리를 포함하는 서브 모듈;
    상기 서브 모듈을 수용하는 모듈 하우징;
    상기 모듈 하우징의 길이 방향 일 측 개구부를 커버하며 인렛을 구비하는 프론트 실링 플레이트;
    상기 모듈 하우징의 길이 방향 타 측 개구부를 커버하며 아웃렛을 구비하는 리어 실링 플레이트; 및
    상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 센싱 어셈블리;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 서브 모듈의 상단에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 복수의 배터리 모듈과 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 길이 방향 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 연장되는 센싱 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센싱 라인은,
    상기 배터리 셀의 셀 바디부 및 상기 셀 바디부를 향해 폴딩된 셀 윙부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 센싱 라인 상에 실장되는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    상기 배터리 셀의 셀 바디부 및 상기 바디를 향해 폴딩된 셀 윙부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 핀은,
    서로 인접한 배터리 셀 사이에 개재되는 바디 접촉부; 및
    상기 바디 접촉부의 상단 또는 하단 중 어느 한 곳에서 절곡되어 상기 배터리 셀의 셀 윙부를 커버하는 윙 커버부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 서브 모듈은,
    상기 셀 적층체 어셈블리의 길이 방향 일 측에 결합되는 프론트 버스바 프레임 어셈블리; 및
    상기 셀 적층체 어셈블리의 길이 방향 타 측에 결합되는 리어 버스바 프레임 어셈블리;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리 및 리어 버스바 프레임 어셈블리는, 상기 모듈 하우징과 배터리 셀의 셀 윙부 사이 및 상기 윙 커버부와 배터리 셀의 셀 윙부 사이에 형성되는 냉각액 유로와 대응되는 위치에 형성되는 복수의 냉각액 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인렛을 통해 상기 모듈 하우징 내부로 유입된 절연 냉각액은, 상기 프론트 버스바 프레임 어셈블리에 형성된 냉각액 홀을 통과하여 상기 냉각액 유로에 유입되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각액 유로를 통과한 절연 냉각액은, 상기 리어 버스바 프레임 어셈블리에 형성된 냉각액 홀을 통과하고, 상기 아웃렛을 통해 상기 모듈 하우징의 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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