KR20230006085A - 냉각 부재 및 그 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른, 전지셀을 냉각시키기 위한 냉각 부재에 있어서, 상부판, 하부판, 및 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인아웃 포트를 포함하고, 상기 냉각 부재는 상기 상부판이 상기 하부판으로 도입되거나, 상기 하부판이 상기 상부판으로 도입됨으로써 형성된 만입부를 포함하고, 상기 냉각 부재의 가장자리 부분에는 제1 만입부가 형성되고, 상기 냉각 부재의 중앙 부분에는 제2 만입부가 형성되며, 상기 제1 만입부를 형성하는 상기 상부판과 상기 하부판 사이에는 실링 패드가 위치한다.

Description

냉각 부재 및 그 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 전지 팩{COOLING MEMBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
냉각 부재 및 그 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 전지 팩에 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 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 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 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 가장 많은 주목을 받고 있다.
한편, 소형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우, 주로 2-3개의 전지셀들이 사용되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우에는 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈(Battery module)이 사용된다. 중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 적층될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다.
한편, 전지 모듈에 장착된 전지셀은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킬 수 있으며, 과충전 등의 이유로 그 온도가 적정 온도보다 높아지는 경우 성능이 저하될 수 있고, 온도 상승이 과도한 경우 폭발 또는 발화될 위험이 있다. 전지 모듈의 내부에서 발화 현상이 발생하면, 전지 모듈 외부로 고온의 열, 가스 또는 화염이 방출될 수 있는데, 이 때 하나의 전지 모듈로부터 방출된 열, 가스, 스파크 또는 화염 등은 전지 팩 내에서 좁은 간격을 두고 인접한 다른 전지 모듈로 전달될 수 있고, 이에 따라 전지 팩 내에서 연속적인 열폭주 현상이 발생할 수 있다.
이러한 열폭주 현상을 방지하기 위해서 종래의 전지 모듈에는 냉각 부재 또는 방열 부재등이 제공되기도 하였으며, 최근에는 냉각수를 주입한 수냉식 냉각 부재 또는 수냉식 방열 부재의 적용이 시도되고 있다.
도 1은 전지셀 적층체에 제공된 수냉식 냉각 부재를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 수냉식 냉각 부재(50)는 도시된 것과 같이 전지셀 적층체(10)의 상부에 위치할 수 있다. 냉각수가 제공되지 않는 공랭식 냉각 부재의 경우에는 팬의 위치에 따라 냉각 부재에 온도 구배가 형성됨으로써 전지셀 적층체(10)가 고르게 냉각되지 못하는 문제가 있었으나, 수냉식 냉각 부재(50)는 화살표 방향을 따라 주입되는 냉각수에 의해 냉각 부재(50)의 온도가 비교적 일정하게 유지될 수 있으므로, 냉각 부재(50)의 온도 편차가 최소화되는 장점이 있다.
수냉식 냉각 부재(50)는 상부판 및 하부판을 접합함으로써 형성되며, 상부판 및 하부판 사이의 공간에 냉각수가 수용된다. 종래에는 수밀성을 확보하기 위해 주로 용접 등의 방법을 이용하여 상부판 및 하부판을 결합하였다. 그러나, 상부판 및 하부판의 물성이 서로 상이하거나, 상부판 및 하부판 중 적어도 하나가 물성이 상이한 소재 등을 부분적으로 포함하는 경우에는 용접에 의해 상부판 및 하부판이 잘 결합되지 않거나, 접합 공정 중 상부판 및 하부판이 손상될 수 있으므로, 수냉식 냉각 부재(50)에 사용가능한 소재가 제한되는 문제가 있어왔다.
따라서, 종래 기술의 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각수를 이용한 냉각 방식을 적용할 수 있는 냉각 부재 및 그 제조 방법, 그리고 이를 포함하는 전지 팩을 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 냉각 부재는, 전지셀을 냉각시키기 위한 냉각 부재에 있어서, 상부판, 하부판, 및 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인아웃 포트를 포함하고, 상기 냉각 부재는 상기 상부판이 상기 하부판으로 도입되거나, 상기 하부판이 상기 상부판으로 도입됨으로써 형성된 만입부를 포함하고, 상기 냉각 부재의 가장자리 부분에는 제1 만입부가 형성되고, 상기 냉각 부재의 중앙 부분에는 제2 만입부가 형성되며, 상기 제1 만입부를 형성하는 상기 상부판과 상기 하부판 사이에는 실링 패드가 위치한다.
상기 만입부는 깊이를 가지고, 상기 깊이가 연장되는 방향은, 상기 냉각 부재 내부의 냉각수의 흐름 방향과 수직할 수 있다.
상기 만입부는 상기 상부판이 변형된 상부 만입부 및 상기 하부판이 변형된 하부 만입부를 포함하며, 상기 상부 만입부의 상면의 최저점은, 상기 만입부가 형성되지 않은 상기 하부판의 상면보다 아래에 위치할 수 있다.
상기 상부 만입부의 상면의 최저점은, 상기 만입부가 형성되지 않은 상기 하부판의 하면보다 아래에 위치할 수 있다.
상기 만입부는 상기 상부판이 변형된 상부 만입부 및 상기 하부판이 변형된 하부 만입부를 포함하며, 상기 상부 만입부의 외경의 최대 값은, 상기 하부 만입부의 내경의 최소 값보다 클 수 있다.
상기 제2 만입부는 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 형성된 길쭉한 홈에 형성될 수 있다.
상기 만입부는, 상기 냉각 부재의 폭방향상, 상기 제1 만입부와 상기 제2 만입부 사이에 위치하는 제3 만입부를 포함할 수 있다.
상기 하부판은 제1 소재로 형성된 제1 부분 및 제1 소재와 상이한 제2 소재로 형성된 제2 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법은, 상부판의 가장자리에 실링 패드를 위치시키는 단계, 상기 실링 패드가 위치한 상기 상부판과, 하부판을 적층하는 단계, 제1 만입부를 형성함으로써 상기 실링 패드를 사이에 둔 상기 상부판과 상기 하부판의 가장자리부를 결합하는 단계, 및 제2 만입부를 형성함으로써, 상기 상부판과 상기 하부판의 중앙부에 냉각 유로를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 냉각 부재의 제조 방법은, 제3 만입부를 형성함으로써, 상기 상부판과 상기 하부판의 중앙부에 변형 방지 구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 상부판과 하부판의 가장자리부를 결합하는 단계는, 상기 상부판, 상기 실링 패드 및 상기 하부판의 순서로 적층된 적층체를 준비하는 단계, 상기 적층체를 다이에 정렬시키는 단계, 상기 적층체를 향해 펀치를 전진시키는 단계, 상기 적층체가 상기 다이의 리세스 형상에 따라 변형되도록, 상기 펀치가 상기 적층체를 국부적으로 가압하는 단계 및 상기 적층체와 멀어지도록 상기 펀치를 후퇴시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적층체와 멀어지도록 상기 펀치를 후퇴시키는 단계 이후에, 상기 적층체를 상기 제2 다이에 정렬시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 모듈은 상술한 냉각 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩은 상술한 냉각 부재를 포함할 수 있다.
상기 전지 팩은 모듈 리스 구조의 전지 모듈을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 종래의 용접 접합 방식 대신 기계식 체결 방식을 적용함으로써, 다양한 소재가 적용된 냉각 부재가 제조될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 전지셀 적층체에 제공된 수냉식 냉각 부재를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다.
도 3은 도 2의 냉각 부재에 포함된 상부판을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 냉각 부재에 포함된 하부판을 도시한 도면이다.
도 5는 도 2의 냉각 부재의 A-A절단면을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 단면 구조가 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 도 2의 냉각 부재의 부분 확대도이다.
도 8은 도 2의 냉각 부재의 B-B절단면을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 단면 구조가 형성되는 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 12는 도 11에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 사시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 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 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 특정 부재의 상면/하면은 어느 방향을 기준으로 하느냐에 따라서 상이하게 판단될 수 있으므로, 명세서 전체에서, ‘상면’ 또는 ‘하면’은 해당 부재에서 z축 상 마주보는 두 면을 의미하는 것으로 정의한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 부재를 나타나는 사시도이다. 도 3은 도 2의 냉각 부재에 포함된 상부판을 도시한 도면이다. 도 4는 도 2의 냉각 부재에 포함된 하부판을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 전지셀을 비롯한 전지 모듈 또는 전지 팩의 내부 온도를 낮추기 위해 제공되는 것일 수 있다. 냉각 부재(500)는 냉매 또는 냉각수가 주입되는 수냉식 냉각 부재(500)일 수 있다. 냉각 부재(500)가 수냉식으로 제공됨으로써, 냉각 부재(500)의 냉각 효율은 균일하게 유지될 수 있고, 전지 모듈 또는 전지 팩 내의 전지셀들이 고르게 냉각될 수 있다. 이 때, 냉각 부재(500)에 사용되는 냉각수는 공지된 것들 중 하나 또는 그들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 냉각 부재(500) 내부에서 유로를 따라 이동함으로써 전지셀들의 열을 방출할 수 있는 것이라면 공지된 것들 중 어느 것을 사용하여도 무방하다
냉각 부재(500)는 전지셀의 열을 방출하기 위해 전지셀 적층체의 일면 상에 배치될 수 있다. 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체의 다수의 전지셀들과 가까이 위치하도록 전지셀 적층체의 적층 방향과 평행하게 배치될 수 있다. 구체적으로, 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체의 상부(도 11의 +z축 방향)에 위치할 수 있다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니고, 설계에 따라 냉각 부재(500)는 전지셀 적층체의 하부(-z축 상 방향)에 위치하거나 또는 측부(+/-y축 상 방향)에 위치할 수도 있다.
냉각 부재(500)의 크기는 냉각 부재(500)가 적용되는 전지셀 적층체의 크기에 맞춰질 수 있다. 일 예로, 냉각 부재(500)는 하나의 전지셀 적층체에 대응되도록 제공될 수 있으며, 이 때 냉각 부재(500)의 길이는 상기 전지셀 적층체의 길이에 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성되고, 상기 냉각 부재(500)의 폭은 상기 상기 전지셀 적층체의 폭에 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 다른 예로, 냉각 부재(500)는 다수의 전지셀 적층체에 대응되도록 제공될 수 있으며, 이 때 냉각 부재(500)의 길이 및 폭은 다수의 전지셀 적층체의 길이 및 폭과 맞춰지거나 약간의 마진을 두어 크게 또는 작게 형성될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)는 전지 모듈의 내부에 위치할 수 있으나, 전지 모듈의 외부에서 전지 팩(1000, 도 11 참고)의 내측에 위치하는 것도 가능하다.
냉각 부재(500)는 냉각 부재(500)의 외형을 형성하는 상부판(510)과 하부판(520), 냉각 부재(500) 내부에 냉각수를 주입하는 인렛/아울렛 포트(530)를 포함할 수 있다.
냉각 부재(500)는 상부판(510)과 하부판(520)의 가장자리를 결합함으로써 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)의 가장자리 부분에는 냉각 부재(500)는 상부판(510) 및 하부판(520)의 가장자리를 결합함으로써 형성된 밀봉부(540)가 위치할 수 있다. 냉각 부재(500)에서 결합된 상부판(510)과 하부판(520) 사이에는 냉각수가 내장되거나 순환될 수 있다.
냉각수는 나란히 위치한 인렛 포트(530)을 통해 공급되어 아울렛 포트(530)로 배출될 수 있다. 인렛 포트(530)와 아울렛 포트(530)는 냉각 부재(500)의 일단부 측에 평행하게 나란히 위치할 수 있다. 이는 전지 모듈 또는 전지 팩의 외부로부터 공급되는 냉각수의 유입 및 배출에 관한 설계를 단순화하기 위한 것일 수 있다. 또, 이는 인렛 포트(530) 주변과 아울렛 포트(530) 주변의 온도 차이를 최소화하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 인렛 포트(530)로 유입되는 냉각수는 가장 낮은 온도를 가지고, 아울렛 포트(530)로 배출되는 냉각수는 가장 높은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(530)가 인접하게 배치되면, 상호간에 열교환이 나타남으로써 냉각 부재의 내부 공간을 흐르는 전체 냉각수의 온도 편차가 최소화될 수 있다. 따라서, 인렛/아울렛 포트(530)를 나란히 배치함으로써 냉각 부재(500)는 전체적으로 균일한 방열 성능을 가질 수 있다.
냉각 부재(500)에는 유로 형성 홈(550)이 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)에 유로 형성 홈(550)이 구비됨으로써, 냉각 부재(500)에 제공되는 냉각수의 흐름이 결정될 수 있다. 유로 형성 홈(550)은 복수로 형성될 수 있으며, 복수의 유로 형성 홈(550)은 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 일직선을 따라 위치할 수 있다. 유로 형성 홈(550)은 소정의 구간을 제외하고 냉각 부재(500)의 중앙에서 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연이어 형성될 수 있고, 이에 따라 냉각수의 흐름은 U자형으로 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)의 인렛 포트(530)를 통해 주입된 냉각수의 흐름은 유로 형성 홈(550)에 의해 제한될 수 있다. 냉각수가 U자형을 따라 흐름으로써, 인렛 포트(530)를 통해 주입된 냉각수는 인렛 포트(530)와 나란히 위치한 아울렛 포트(530)로 배출될 수 있다. 구체적으로, 냉각수가 흐르는 U자형 유로는 인렛 포트(530)로부터 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제1 유로, 상기 제1 유로의 말단에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 곡선을 따라 연장되는 제2 유로, 및 제2 유로의 말단에서 아울렛 포트(530)를 향해 냉각 부재(500)의 길이 방향과 평행한 직선을 따라 연장되는 제3 유로를 포함할 수 있다.
냉각 부재(500)에는 변형 방지 홈(560)이 형성될 수 있다. 냉각 부재(500)에 변형 방지 홈(560)이 구비됨으로써, 냉각수에 의한 냉각 부재(500)의 형상 변형이 방지될 수 있다. 예를 들어, 냉각수가 냉각 부재(500)에 주입되면, 주입된 냉각수는 중앙을 가로 지르는 유로 형성 홈(550)에 의해 냉각 부재(500)의 1/2 공간에 집중될 수 있다. 냉각수가 U자형 유로를 통해 나머지 1/2의 공간으로 이동하기 전까지, 해당 공간에는 큰 압력이 작용할 수 있고, 이에 따라 냉각 부재(500)의 적어도 일부가 팽창하거나, 냉각 부재(500)가 파손될 수 있다. 냉각 부재(500)의 유로에 변형 방지 홈(560)이 형성되면, 냉각수가 일시적으로 집중됨으로써 특정 구간에 압력이 크게 작용하더라도, 이에 의한 변형이 최소화될 수 있다. 변형 방지 홈(560)은 냉각 부재(500)에서 냉각수가 흐르는 U자형 유로에 부분적으로, 간격을 두어 배치될 수 있다. 변형 방지 홈(560)은 냉각 부재(500)의 폭방향상, 유로 형성 홈(550)과 밀봉부(540) 사이에 위치할 수 있다. 변형 방지 홈(560)의 구체적인 위치는 인렛 포트(530)를 통해 유입되는 냉각수를 과도하게 방해하지 않으면서도, 냉각수의 유량 및 유속에 대응할 수 있도록 적절히 설정될 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500)의 폭방향은 냉각 부재(500)의 단변과 평행한 방향일 수 있다. 또, 여기서, 냉각 부재(500)의 길이 방향은 냉각 부재(500)의 장변과 평행한 방향일 수 있다.
또, 냉각 부재(500)의 둘레에는 냉각 부재(500)의 일 변으로부터 연장되고, 냉각 부재(500)의 길이 방향을 따라 연속적으로 위치하는 돌출부가 형성될 수 있다. 돌출부는 후술할 도 11에서 예시되는 것과 같이, 각 전지셀 적층체의 전극 리드 또는 전극 리드와 연결된 버스바와 접촉하거나, 이와 근접하게 배치될 수 있다. 전지 모듈 또는 전지 팩에서 전기적 연결을 제공하는 전극 리드 또는 버스바는 발열되기 쉬운 구성이므로, 상술한 돌출부가 전극 리드 또는 버스바의 방열을 촉진하면 전지셀의 온도 상승이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상부판(510)은 판상형으로 제공되나, 그 중앙 부분은 함몰 또는 만입되어 가장자리 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상부판(510)은 폭방향상 단면을 기준으로, 움푹 들어간 형상을 가질 수 있다. 이는 상부판(510)이 냉각수를 수용하기 위하여, 단차를 통해 내부 공간을 형성한 것일 수 있다. 여기서, 상부판(510)의 폭방향은 상부판(510)의 단변과 평행한 방향일 수 있다.
냉각 부재(500)에는 실링 패드(512)가 제공될 수 있다. 도 3은 상부판(510)의 배면, 즉, 상부판(510)에서 하부판(520)과 마주하는 면을 도시한 것으로서, 실링 패드(512)는 상부판(510)의 배면상에 제공되어, 상부판(510)과 하부판(520) 사이에 위치할 수 있다. 실링 패드(512)는 냉각 부재(500)에서 밀봉부(540)에 위치할 수 있다.
실링 패드(512)는 탄성력이 있는 유연한 소재로 제조될 수 있다. 실링 패드(512)로 제조되는 소재의 일 예로는 실리콘 계열의 폼 패드, 아크릴 계열의 폼 패드 또는 우레탄 계열의 폼 패드 등을 들 수 있다. 실링 패드(512)는 상부판(510)과 하부판(520)의 결합 시 외력에 의해 압축됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520) 사이에 존재하는 틈을 메울 수 있다. 실링 패드(512)는 상기 틈을 통해 냉각 부재(500) 내부의 냉각수가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 3에서는 상부판(510)에 상술한 유로 형성 홈(550) 및 변형 방지 홈(560)이 형성된 것으로 도시되었다. 그러나, 유로 형성 홈(550) 또는 변형 방지 홈(560)은 상부판(510) 및 하부판(520)이 결합된 후 추가 공정을 통해 형성될 수 있으므로, 냉각 부재(500) 제조 시 제공되는 상부판(510)에 반드시 유로 형성 홈(550) 또는 변형 방지 홈(560)이 미리 형성되어야 하는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 냉각 부재(500)의 하부판(520)은 상부판(510)과 전체적으로 유사한 형상을 가질 수 있다. 하부판(520) 또한 판상형으로 제공되나, 그 중앙 부분은 함몰 또는 만입되어 가장자리 부분과 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 하부판(520)은 폭방향상 단면을 기준으로 움푹 들어간 형상을 가짐으로써, 냉각수를 수용하는 내부 공간을 형성할 수 있다. 여기서, 하부판(520)의 폭방향은 하부판(520)의 단변과 평행한 방향일 수 있다.
냉각 부재(500)가 전지셀의 상부에 제공되는 경우, 하부판(520)은 냉각 부재(500)에서 전지셀과 가장 가까이 위치하는 부분일 수 있다. 따라서, 하부판(520)은 전지셀의 방열이 촉진되도록 열전도율이 높은 소재로 제공되는 것이 바람직할 수 있다. 또, 냉각 부재(500)의 전체적인 방열 성능을 향상시키기 위해서, 냉각 부재(500)의 상부판(510) 또한 열전도율이 높은 소재로 제공될 수 있다. 냉각 부재(500)의 외형을 형성하는 상부판(510) 및 하부판(520)은 강성이 높은 금속으로 제조될 수 있으며, 그 구체적인 예로는 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등을 들 수 있다.
하부판(520)은 하나의 소재로 제공될 수도 있으나, 두가지 이상의 소재로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 하부판(520)은 제1 소재로 제공되는 제1 부분(522) 및 제2 소재로 제공되는 제2 부분(524)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 하부판(520)은 제1 소재로 제조된 판상형 부재에서 일부 영역을 제거한 후, 상기 제거된 일부 영역에 제2 소재로 제조된 부재를 채워 넣거나, 끼워 넣음으로써 형성될 수 있다. 이는 전지셀의 내부 발화시, 발화로 인해 발생된 열 또는 압력에 의해 하부판(520)의 제2 부분(524)이 개방되도록 한 것일 수 있다. 제2 부분(524)에 제공되는 제2 소재는 제1 소재보다 열 또는 압력에 취약한 것일 수 있다. 제2 부분(524)이 개방되면 냉각 부재(500) 내의 냉각수가 전지셀로 분사될 수 있으므로, 전지셀의 발화 현상이 보다 빠르게 완화될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 소재는 알루미늄 등의 금속일 수 있고, 제2 소재는 용융점이 200 ℃ 이하인 열가소성의 고분자 수지일 수 있다. 상기 열가소성의 고분자 수지의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 용융점이 약 100 ℃ 이상 200℃ 이하인 물질을 들 수 있다.
한편, 상술한 것과 같이 상부판(510) 또는 하부판(520)이 2가지 이상의 소재로 제조되거나, 하부판(520)이 하나의 소재로 제조되더라도, 상부판(510)이 하부판(520)과 상이한 소재로 제조됨으로써 냉각 부재(500)에 물성이 상이한 2가지 이상의 소재가 포함될 수 있다. 종래에는 냉각 부재(500)의 상부판(510) 및 하부판(520)이 주로 브레이징(Brazing) 또는 레이저 용접 등에 의해 결합되었으므로, 이처럼 냉각 부재(500)가 2가지 이상의 소재가 포함하도록 설계되는 경우에는 용접 공정 중에 하나의 소재가 변형될 수 있어 용접 공정이 까다로워지거나 불가능한 문제가 있었다. 또한, 레이저 용접 등을 이용하는 경우 상부판(510) 또는 하부판(520)에 국부적인 온도 구배가 형성될 수 있으므로, 이로 인해 상부판(510) 또는 하부판(520)의 적어도 일부가 휘어지는 문제가 있었다.
그러나, 본 실시예의 냉각 부재(500)는 용접 방식이 아닌 기계적 체결 방식을 통해 제조되므로, 종래와 달리 2가지 이상의 소재를 포함하도록 제조될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 기계적 체결 방식은 열을 가하지 않거나, 냉각 부재(500)에 제공되는 소재의 용융점 보다 낮은 온도의 열을 가함으로써, 냉각 부재(500)를 형성하는 소재의 손상을 최소화할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 냉각 부재(500)에는 용접 온도에 구애받지 않고 다양한 소재를 사용할 수 있으므로, 냉각 부재(500)의 설계가 쉽고 보다 다양할 수 있다.
이하에서는 도면을 통해 냉각 부재(500)에 적용된 기계적 체결 방식과 이로 인해 나타나는 냉각 부재(500)의 구조적 특징을 설명하기로 한다.
도 5는 도 2의 냉각 부재의 A-A절단면을 도시한 도면이다. 도 6은 도 5의 단면 구조가 형성되는 과정을 도시한 도면이다. 도 7은 도 2의 냉각 부재의 부분 확대도이다.
본 실시예의 냉각 부재(500)는 클린칭(clinching) 체결 방식을 이용하여 제조될 수 있다. 클린칭(clinching)은 펀치 등을 이용하여 적층된 두 판상형 부재의 일면을 가압하여 그 형상을 변형시킴으로써 두 부재를 기계적으로 결합시키는 변형 접합 방법이다. 클린칭은 그 형상을 고려하여 침투 (penetration) 접합으로 지칭될 수도 있다.
냉각 부재(500)의 제조 시 용접 결합 방식 대신 클린칭 체결 방식을 적용하면, 제조 과정 중에 과도한 열이 발생되지 않으므로, 냉각 부재(500)에 의도하지 않은 변형이 최소화될 수 있고, 미리 설계된 치수와 최종 제품의 치수 차이가 줄어들게 됨으로써 치수 안정성이 확보될 수 있다. 특히, 냉각 부재(500)에 주로 사용되어왔던 알루미늄 소재의 경우, 용융점인 660℃ 이상의 온도가 가해지면 변형되기 시작할 수 있다. 그러나, 상술한 클린칭 체결 방식을 적용하면, 냉각 부재(500)에 융점 이상의 열이 가해지지 않으므로, 냉각 부재(500)의 치수 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또, 냉각 부재(500)의 제조 시 클린칭 체결 방식을 적용하면, 온도에 취약한 특정 소재가 제조 과정 중 변형되지 않을 수 있으므로, 인서트 사출로 형성가능한 다양한 소재 및 형상의 구조가 냉각 부재(500)에 적용될 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)의 밀봉부(540)는 상술한 클린칭 체결 방식을 통해 형성될 수 있다. 밀봉부(540)는 일 방향으로 만입된 만입부(542)를 가질 수 있다. 만입부(542)는 상부판(510) 또는 하부판(520)의 일부가 가압됨으로써, 그 가압 방향을 따라 일체로써 만입된 부분일 수 있다. 밀봉부(540)에 만입부(542)가 형성됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520)은 물리적으로 결합될 수 있다. 여기서, 가압 방향은 상부판(510)에서 하부판(520)를 향하는 방향일 수도 있고, 하부판(520)에서 상부판(510)을 향하는 방향일 수도 있다.
구체적인 예를 들어, 상부판(510)의 두 면은 제1 면 및 제2 면으로, 하부판(520)의 두 면은 제3 면 및 제4 면으로 지칭될 수 있다. 상부판(510)에서 하부판(520)를 향하는 제1 방향을 기준으로, 제1 면 내지 제4 면은 제1 면, 제2 면, 제3 면 및 제4 면 순으로 위치할 수 있다. 상부판(510)의 제1 면과 하부판(520)의 제4 면은 냉각 부재(500)의 외부면을 형성할 수 있고, 상부판(510)의 제2 면과 하부판(520)의 제3 면은 서로 마주볼 수 있다.
여기서, 상부판(510) 제1 면이 부분적으로 가압되면, 제1 면은 소정의 깊이를 가지도록 제1 방향으로 만입되어 오목하게 형성될 수 있다. 여기서, 상부판(510)이 가압됨으로써 상부판(510)의 아래에 위치한 하부판(520)은 함께 변형될 수 있고, 상부판(510)과 하부판(520)은 가압에 의해 물리적으로 변형됨으로써 일체로서 결합될 수 있다. 여기서, 하부판(520)을 기준으로 할 때, 만입부(542)는 돌출되어 볼록하게 형성된 것으로 설명될 수도 있다.
도 5의 사진을 참고할 때, 가압을 통해 상부판(510) 및 하부판(520)이 각각 만입될 수 있으며, 여기서, 상부판에 형성된 만입부는 상부 만입부(543)로, 하부판(520)에 형성된 만입부는 하부 만입부(544)로 지칭될 수 있다. 상부판(510)이 가압되면 상부 만입부(543)가 형성될 수 있고, 상부 만입부(543)가 하부판(520)으로 도입됨으로써 하부 만입부(544)가 형성될 수 있다.
만입부(542)는 만입됨으로써 깊이 값을 가지게 되며, 만입부(542)의 깊이 방향은 냉각 부재(500)의 내부의 냉각수가 흐르는 방향과 수직할 수 있다. 여기서, 깊이 방향은 상술한 가압 방향일 수 있다. 만입부(542)가 깊이를 가지도록 형성됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520) 사이는 견고하계 결합되며, 냉각 부재(500) 내의 압력에 따라 상부판(510)과 하부판(520) 사이가 다소 벌어지는 것이 방지될 수 있다. 또, 만입부(542)는 상부판(510)과 하부판(520) 사이가 다소 벌어지는 경우에도, 냉각수의 흐름을 방해함으로써 냉각수가 만입부(542)가 형성된 밀봉부(540)를 넘어 냉각 부재(500)의 외부로 유출되지 못하도록 할 수 있다.
여기서, 만입부(542)가 형성된 제1 면의 최저점은, 만입부(542)가 형성되지 않은 영역, 즉, 제3 면의 최고점 또는 제4 면의 최고점 보다 아래에 위치할 수 있다. 이처럼 클린칭 공정을 통해 상부판(510)의 상면(제1 면)의 일부가 하부판(520)의 상면(제3 면) 또는 하면(제4 면)보다 더 아래에 위치되도록 변형되면, 상부판(510)이 하부판(520)에 완전히 도입되게 되므로 상부판(510)과 하부판(520) 사이의 결합은 보다 안정적으로 형성될 수 있다.
만입부(542)의 깊이는 상부판(510), 하부판(520) 또는 이들을 합한 것의 두께 보다 클 수 있다. 만입부(542)의 깊이가 너무 작으면 상부판(510)과 하부판(520) 사이의 수밀성이 확보되기 어려울 수 있고, 만입부(542)의 깊이가 너무 크면 상부판(510)과 하부판(520)이 과도하게 변형되거나 부분적으로 절단될 수 있다. 예를 들어, 만입부(542)가 형성되지 않은 부분의 상부판(510)의 두께와 하부판(520)의 두께를 더한 값을 100으로 할 때, 만입부(542)의 깊이는 50 이상, 또는 50 내지 200의 값을 가질 수 있다. 그러나 상술한 값은 예시에 불과 한 바, 본 발명의 만입부(542)의 깊이를 한정하는 것은 아니다. 여기서, 만입부(542)의 깊이는 상부 만입부(543)를 기준으로 한 것일 수 있으며, 구체적으로 만입부(542)가 형성되지 않은 상부판(510)을 기준으로 상부 만입부(543)의 제1 면이 가지는 깊이일 수 있다.
상부 만입부(543)의 깊이는 하부 만입부(544)의 깊이 보다 클 수 있다. 이는 제1 방향을 따라 가압되는 경우, 상부 만입부(543)는 하부 만입부(544) 보다 만입부(542)의 내측에 위치하므로, 내경을 형성하는 상부 만입부(543)가 외경을 형성하는 하부 만입부(544) 보다 더 많이 변형되어야 하기 때문일 수 있다. 가압 과정을 통해 상부 만입부(543)가 하부 만입부(544)가 형성되는 과정에서, 가압되는 상부판(510) 및 하부판(520)는 면적이 늘어남에 따라 두께 값이 줄어들게 되는데, 상부 만입부(543)는 상부판(510) 및 하부판(520)의 두께 변화를 모두 수용하여 변형되어야 하므로, 깊이가 더 크게 형성된 것일 수도 있다. 한편, 제1 방향은 가압 방향을 예시하기 위한 것인 바, 상부판(510) 및 하부판(520)이 제1 방향과 대향하는 제2 방향을 따라 가압되는 경우에는, 하부 만입부(544)가 내측에 위치하게 되므로, 하부 만입부(544)의 깊이가 상부 만입부(543)의 깊이 보다 큰 값을 가질 수 있다.
만입부(542)는 깊이 방향상 말단이 다소 퍼진 형상을 가질 수 있다. 상부 만입부(543)의 최하단부(최저단부)는 상부 만입부(543)의 다른 부분 보다 다소 큰 직경을 가질 수 있다. 하부 만입부(544)의 최하단부(최저단부)는 하부 만입부(544)의 다른 부분 보다 다소 큰 직경을 가질 수 있다. 여기서, 상부 만입부(543)의 외경의 최대 값은, 하부 만입부(544)의 내경의 최소 값보다 클 수 있고 이에 따라, 상부 만입부(543)과 하부 만입부(544) 사이에는 걸림 결합이 형성될 수 있다. 따라서, 냉각 부재(500) 내압에 따라 상부 만입부(543)과 하부 만입부(544) 사이에 압력이 작용하더라도, 상술한 걸림 결합에 의해 상부판(510)과 하부판(520) 사이가 벌어지지 않을 수 있다. 이처럼, 상부 만입부(543)와 하부 만입부(544)의 형상에 따라, 만입부(542)의 결합력은 더욱 향상될 수 있다.
한편 실시예에 따라, 밀봉부(540)가 보다 완전하게 형성될 수 있도록, 펀치는 만입부(542)를 다시 가압할 수 있다. 이 때, 펀치는 만입부(542)가 다져지도록, 만입부(542)를 변형함으로써 상부판(510)과 하부판(520)이 더욱 안정적으로 결합되도록 할 수 있다. 이러한 재가압을 통해 만입부(542)는 찌그러지거나, 만입부(542)의 깊이가 축소되도록 변형될 수 있다. 이 때, 만입부(542)는 펀치와 상기 다이보다 더 큰 직경의 리세스를 가지는 제2 다이 사이에 배치될 수 있으며, 펀치가 만입부(542)를 가압하면, 기존에 형성된 만입부(542)는 제2 다이의 리세스에 맞게 변형됨으로써 만입부(542)의 적어도 일부분이 더 큰 직경을 가지게 될 수 있다.
여기서, 상부 만입부(543)와 하부 만입부(544)가 깊이 방향상 말단이 다소 퍼진 형상을 가지는 것은 제2 다이에 의한 재가압 공정 때문일 수 있다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니고, 제2 다이를 사용하지 않고서도 펀치 및 다이의 동작에 따라 상부 만입부(543)와 하부 만입부(544)가 상술한 형상을 가지도록 형성될 수도 있을 것이다. 만입부(542)를 재가압하는 것은 만입부(542)의 손상을 야기할 수 있으므로, 상술한 재가압 공정은 만입부(542)의 물성, 크기 등을 고려하여 적용되어야 할 것이다.
만입부(542)의 외경, 즉, 하부 만입부(544)의 외경은 5 내지 11 mm, 7 내지 9mm, 또는 7.5 내지 8.5mm의 값을 가질 수 있다. 만입부(542)의 직경이 너무 작으면, 만입부(542)에 의해 상부판(510) 및 하부판(520)이 견고하게 결합되기 어려울 수 있고, 만입부(542)의 직경이 너무 크면, 만입부(542)에 의한 상부판(510) 및 하부판(520)의 변형이 과도하여, 냉각 부재(500)의 치수 안정성이 저하될 수 있다. 또, 만입부(542)의 직경은 만입부(542)들 사이의 거리, 즉, 후술하는 제1 간격에 따라 달리 설계될 수도 있다.
이 때, 만입부(542)의 직경은 제2 다이의 직경에 따라 달라질 수 있으므로, 상술한 하부 만입부(544)의 외경 값은 제2 다이의 리세스 내경 값과 대응될 수 있다. 또, 만입부(542)를 형성함에 제2 다이가 사용되지 않고 하나의 다이만이 사용되는 경우에는, 상술한 하부 만입부(544)의 외경 값은 다이의 리세스 내경 값과 대응될 수 있다. 즉, 상술한 하부 만입부(544)의 외경 값은 최종으로 사용되는 다이의 리세스 내경 값에 대응될 수 있다.
또, 만입부(542)의 직경 외에도, 만입부(542)의 형상은 사용되는 펀치, 다이 또는 제2 다이의 형상에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 펀치의 단면이 원형인 경우에는, 만입부(542)는 전체적으로 관형으로 형성될 수 있으며, 펀치의 단면이 사각형인 경우에는, 만입부(542)는 전체적으로 사각 관형으로 형성될 수 있을 것이다.
이상에서는 제1 면이 제1 방향으로 가압됨으로써 만입부(542)가 형성되는 경우를 기준으로 설명하였다. 그러나, 이는 만입부(542)가 형성되는 일 예로서, 만입부(542)는 제4 면이 제2 방향을 따라 가압됨으로써 형성될 수도 있다. 만입부(542)가 제2 방향을 따라 가압됨으로써 형성되는 것이라도 상술한 내용을 통해 충분히 이해될 수 있는 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상부판(510) 및 하부판(520) 사이의 수밀성을 보다 향상시키기 위해서, 상부판(510) 및 하부판(520) 사이에는 실링 패드(512)가 위치할 수 있다. 종래의 용접 결합 방식을 적용하는 경우에는, 열에 다소 취약한 실링 패드(512)가 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합 시 제공되기 어려웠다. 따라서 용접 공정을 이용하는 경우에는 용접면의 수밀성을 보완하기 위하여 주로 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합한 후, 추가 공정을 통해 실란드(sealant)등을 도포하였다. 그러나 본 실시예에 따른 냉각 부재(500)는 기계적 결합 방식을 통해 형성되므로, 열에 취약한 실링 패드(512)를 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합 공정 중에 함께 결합할 수 있으며, 이를 통해 제조 공정의 단순화 및 제조 비용의 절감 등이 달성될 수 있다.
실링 패드(512)는 서로 마주보는 상부판(510)의 제2 면과 하부판(520)의 제 3면 사이에 제공될 수 있으며, 상부판(510), 실링 패드(512), 하부판(520)은 서로 면접촉하도록 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 것과 같이 제1 방향을 따라 상부판(510), 실링 패드(512), 하부판(520)이 적층된 적층체의 일면에는 펀치가 위치하고, 타면에는 리세스를 구비한 다이가 위치할 수 있다. 여기서, 다이에 구비된 리세스는 펀치의 외주 형상과 대응되도록 형성될 수 있다. 펀치와 다이 사이에 적층체가 배치된 후, 펀치가 이동함으로써 적층체의 일면을 가압하면, 적층체는 다이의 리세스부와 맞닿을 때까지 변형될 수 있으며, 상술한 압력에 의해 3개의 층을 가지는 적층체에 만입부(542)가 형성됨으로써 3개의 층이 서로 견고하게 결합될 수 있다.
상술한 가압과정을 통해 탄성체로 제공되는 실링 패드(512)는 압축됨으로써 그 두께가 줄어들 수 있다. 구체적으로, 외력이 가해지지 않은 실링 패드(512)의 두께를 기준으로, 냉각 부재(500)의 단면 상에서 나타나는 실링 패드(512)의 두께는 20~80%일 수 있다. 이 때, 실링 패드(512)의 두께는 단면 상에서 나타나는 실링 패드(512)의 두께 중 가장 적은 값을 기준으로 하거나, 실링 패드(512)의 두께의 평균값을 기준으로 비교될 수 있다. 한편, 실링 패드(512)가 압축됨으로써, 상부판(510) 및 하부판(520) 사이의 수밀성이 향상될 수 있다. 상술한 수밀성이 확보되기 위해서는 실링 패드(512)가 40% 내지 60%, 또는 약 50% 수준으로 압축되는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 냉각 부재(500)의 단면 상에서 나타나는 실링 패드(512)중 적어도 일부는, 외력이 가해지지 않은 실링 패드(512)의 두께를 기준으로, 40% 내지 60%, 또는 약 50% 이하인 것이 바람직할 수 있다. 실링 패드(512) 두께의 최소 값은 40% 내지 60%, 또는 약 50% 이하인 것이 바람직할 수 있다.
한편, 가압 과정을 통해 실링 패드(512)가 줄어드는 것뿐 아니라, 상부판(510) 및 하부판(520)의 두께도 일부 변형될 수 있다. 만입부(542)의 최저점은 펀치에 의해 가압되어 가장 큰 압력을 받은 부분일 수 있고, 이에 따라 만입부(542)의 최저점, 즉 가장 깊게 만입된 부분의 두께 값은 다른 부분의 두께보다 더 작을 수 있다. 만입부(542)가 형성되기 전 펀치와 대응되는 부분은, 펀치의 압력에 의해 눌림으로써 만입부(542)의 최고점으로부터 최저점에 이르는 측부를 형성해야 하므로, 펀치의 압력에 의해 그 면적이 증가하게 됨에 따라 전체적인 두께가 줄어들게 될 수 있다.
도 7을 참조하면, 밀봉부(540)에서 만입부(542)는 복수개가 형성될 수 있으며, 복수개의 만입부(542)는 간격을 두어 위치할 수 있다. 구체적으로, 제1 폭(w1)으로 형성된 밀봉부(540)에서, 서로 인접한 만입부(542a,542b)들은 제1 거리(p1)를 두고 위치할 수 있다. 제1 거리(p1)는 밀봉부(540)의 수밀성을 확보하는데 중요한 변수가 될 수 있다. 구체적으로, 제1 거리(p1) 값이 너무 작으면 가압에 의한 변형이 과도하여 냉각 부재(500)의 치수 안정성이 저하될 수 있고, 제1 거리(p1) 값이 너무 크면 밀봉부(540)의 견고함이 저하될 수 있다. 또, 상술한 바와 같이 제1 거리(p1)는 만입부(542)의 크기 값에 영향을 줄 수도 있으며, 제1 거리(p1)가 크게 설계되면, 제1 거리(p1)가 작게 설계되는 경우와 비교하여 만입부(542)가 더 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 제1 폭(w1)은 실링 패드(512)의 폭 값일 수도 있다. 또 여기서, 제1 거리(p1)는 피치(pitch)로 지칭될 수 있다.
도 8은 도 2의 냉각 부재의 B-B절단면을 도시한 도면이다. 도 9는 도 8의 단면 구조가 형성되는 과정을 도시한 도면이다
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 실시예의 냉각 부재(500)의 유로 형성 홈(550) 및 변형 방지 홈(560)은 상술한 클린칭 체결 방식을 통해 형성될 수 있다. 종래의 용접 결합 방식을 적용한 냉각 부재(500)의 제조 방법에서는 유로를 형성하기 위해 별도의 제조 공정을 추가해야 했으나, 본 실시예의 냉각 부재(500)에는 기계적 결합 방식이 적용되므로, 유로를 형성하기 위한 별도의 제조 공정이 생략되고, 도 5 내지 도 7에서 설명된 상부판(510) 및 하부판(520)의 결합 공정 중 유로가 함께 형성될 수 있다. 또, 동일한 공정 내에서, 변형 방지 홈(560)을 형성함으로써 냉각 부재(500)에 변형 방지 구조를 형성할 수 있다. 따라서, 기계적 결합 방식을 적용한 본 실시예의 냉각 부재(500)는 종래의 결합 방식을 이용하는 경우와 비교하여, 제조 공정의 단순화 및 제조 비용의 절감과 같은 장점을 가질 수 있다.
구체적으로, 유로 형성 홈(550) 또는 변형 방지 홈(560)은 이격된 상부판(510) 및 하부판(520)의 일면을 가압함으로써 형성될 수 있다. 유로 형성 홈(550) 또는 변형 방지 홈(560)은 실링 패드(512)가 제공되지 않는 것 외에는 상술한 만입부(542)와 동일한 방법을 통해 형성될 수 있으므로, 그 자세한 설명은 생략하기로 한다. 또, 유로 형성 홈(550) 및 변형 방지 홈(560) 또한 그 제조 과정 및 형상을 고려할 때 ‘만입부’로 지칭될 수 있으며, 이 때, 밀봉부(540)에 형성되는 만입부(542)는 제1 만입부로, 유로 형성 홈(550)은 제2 만입부로, 변형 방지 홈(560)은 제3 만입부로 지칭될 수 있다.
여기서, 유로 형성 홈(550) 또는 변형 방지 홈(560) 또한 상부판(510) 및 하부판(520)이 함께 변형됨으로써 형성되는 것이므로, 유로 형성 홈(550)을 통해 상부판(510) 및 하부판(520)에 각각 상부 유로 형성 홈 및 하부 유로 형성 홈이 형성되고, 변형 방지 홈(560)을 통해 상부판(510) 및 하부판(520)에 각각 상부 변형 방지 홈 및 하부 변형 방지 홈이 형성될 수 있다. 따라서, 각 변형된 부분의 깊이, 직경 등에 대한 내용은 상술한 내용을 통해 구체적으로 설명될 수 있으므로, 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.
단, 도 5 내지 도 7의 만입부(542)는 서로 접촉하거나, 실링 패드(512)를 통해 서로 접촉하는 상부판(510) 및 하부판(520)의 가장자리를 가압함으로써 형성되므로, 만입부(542)의 형성을 통해 상부판(510) 및 하부판(520)이 일체로써 결합되었으나, 유로 형성 홈(550) 및 변형 방지 홈(560)은 서로 이격된 상부판(510) 및 하부판(520)의 중앙부 또는 내측부를 가압함으로써 형성되므로, 유로 형성 홈(550) 또는 변형 방지 홈(560)에 의해 상부판(510) 및 하부판(520)의 중앙부 또는 내측부가 만입부(542)만큼 견고하게 결합되는 것은 아닐 수 있다. 예를 들어, 상부판(510) 및 하부판(520)의 가장자리 부분에 형성된 만입부(542)의 깊이는, 상부판(510) 및 하부판(520)의 중앙부 또는 내측부에 형성된 유로 형성 홈(550) 및 변형 방지 홈(560)의 깊이보다 큰 값을 가질 수 있다.
그러나 유로 형성 홈(550)은 변형 방지 홈(560) 보다 상부판(510) 및 하부판(520) 사이의 결합이 견고해야 하므로, 유로 형성 홈(550)은 냉각 부재(500)의 길이 방향상 연장되는 긴 홈이 미리 형성되고, 긴 홈에 유로 형성 홈(550)이 간격을 두고 형성됨으로써, 결합 수준이 보완될 수도 있다. 냉각 부재(500)의 길이 방향상 연장되는 긴 홈이 상부판(510) 또는 하부판(520)에 미리 형성됨으로써, 상부판(510) 및 하부판(520)은 부분적으로 서로 접촉할 수 있다. 유로 형성 홈(550)은 서로 접촉하고 있는 두 판을 국부적으로 가압함으로써 형성되므로, 유로 형성 홈(550)은, 만입부(542)의 경우와 유사하게, 상부판(510) 및 하부판(520)을 기계적으로 견고하게 접합할 수 있다. 여기서, 냉각 부재(500), 상부판(510) 또는 하부판(520)에서, 중앙부 또는 내측부는 가장자리를 제외한 부분으로, 냉각수가 내장 또는 순환되는 부분을 의미하는 것일 수 있다.
이하에서는 기계적 체결 방식을 이용한 냉각 부재의 제조 방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 부재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 냉각 부재의 제조 방법(S1000)은,
상부판(510)을 제공하는 단계(S1100), 상부판(510)에 실링 패드(512)를 위치시키는 단계(S1200), 실링 패드(512)가 개재된 상부판(510)과 하부판(520)을 결합하는 단계(S1300), 냉각 유로를 형성하는 단계(S1400) 및 변형 방지 구조를 형성하는 단계(S1500)를 포함할 수 있다.
이하에서는 각 단계에 대해 보다 자세하게 설명한다.
상부판(510)을 제공하는 단계(S1100)는, 제조된 상부판(510)이 본 실시예의 제조 공정을 위해 준비되는 것을 의미할 수 있다. 여기서, 상부판(510)은 중앙부가 가장자리 부분 보다 만입된 형상을 가질 수 있다. 상부판(510)의 중앙부에는 부분적으로 홈이 구비된 상태일 수 있다. 또 여기서, 하부판(520)은 중앙부가 가장자리 부분 보다 만입된 형상을 가질 수 있다. 하부판(520)은 제1 소재를 가지는 제1 부분과, 제2 소재를 가지는 제2 부분을 포함할 수 있다. 하부판(520)의 적어도 일부는 인서트 사출을 통해 형성된 것일 수 있다.
상부판(510)에 실링 패드(512)를 위치시키는 단계(S1200)는, 도 3에서 도시된 것과 같이 상부판(510)의 배면(하면)에 실링 패드(512)를 밀착시키는 단계를 포함할 수 있으며, 이는 도 3을 통해 설명이 가능하므로, 본 실시예에서는 그 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
또, 상부판(510)에 실링 패드(512)를 위치시키는 단계(S1200)는, 상부판(510)의 배면(하면)에 실링 패드(512)를 밀착시키는 단계 이후에, 상기 실링 패드(512)가 위치한 상기 상부판(510)과 하부판(520)을 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 단계는 하부판(520)의 위로 상부판(510)과 실링 패드(512)를 안착시키는 단계일 수 있다. 여기서, 서로 유사한 외형을 가지는 상부판(510)과 하부판(520)은 상부판(510)의 배면과 하부판(520)의 상면이 서로 마주하도록 배치될 수 있으며, 실링 패드(512)가 위치한 서로의 가장자리가 대응되도록 배치될 수 있다.
실링 패드(512)가 개재된 상부판(510)과 하부판(520)을 결합하는 단계(S1300), 냉각 유로를 형성하는 단계(S1400) 및 변형 방지 구조를 형성하는 단계(S1500)는 상술한 클린칭 공정을 통해 수행될 수 있다.
구체적으로, 클린칭 공정에는 짝을 이루는 펀칭과 다이가 사용될 수 있다. 다이는 펀칭의 외형과 대응되는 형상을 가지는 리세스가 형성될 수 있다. 펀칭과 다이 사이에 작업물이 위치하면, 펀칭이 다이를 향해 이동함으로써 작업물의 일부가 펀칭 및 다이의 리세스 형상에 맞추어 변형될 수 있다. 작업물이 2개 이상의 층으로 구성되는 경우, 상술한 변형을 통해 2개 이상의 층은 기계적으로 결합될 수 있다.
펀치와 다이는, 실링 패드(512)가 개재된 상부판(510)과 하부판(520)을 결합할 수 있다(S1300). 펀치와 다이의 동작을 통해 만입부(542)가 형성됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520)에는 밀봉부(540)가 형성되고, 이를 통해 상부판(510)과 하부판(520)은 결합될 수 있다. 만입부(542)가 형성됨으로써 상부판(510)과 하부판(520)의 가장자리 부분은 결합될 수 있다. 만입부(542)가 형성됨으로써 서로 적층된 상부판(510), 실링 패드(512) 및 하부판(520)은 결합될 수 있다.
실링 패드(512)가 개재된 상부판(510)과 하부판(520)을 결합하는 단계(S1300)는, 상부판(510), 실링 패드(512) 및 하부판(520)의 순서로 적층된 적층체를 준비하는 단계, 상기 적층체를 다이에 정렬시키는 단계, 펀치를 상기 적층체를 향해 전진시키는 단계, 상기 적층체가 다이의 리세스 형상에 따라 변형되도록, 펀치가 상기 적층체를 국부적으로 가압하는 단계 및 펀치를 상기 적층체와 멀어지도록 후퇴시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 실링 패드(512)가 개재된 상부판(510)과 하부판(520)을 결합하는 단계(S1300)는, 펀치를 상기 적층체와 멀어지도록 후퇴시키는 단계 이후에, 상기 적층체를 제2 다이에 정렬시키는 단계, 펀치를 상기 적층체를 향해 전진시키는 단계, 상기 적층체의 변형된 일부(만입부)가 제2 다이의 리세스 형상에 따라 변형되도록 펀치가 상기 적층체의 변형된 일부(만입부)를 국부적으로 가압하는 단계 및 펀치를 상기 적층체와 멀어지도록 후퇴시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 적층체를 제2 다이에 정렬시키는 단계에서, 상기 적층체 중 제2 다이와 대응되는 부분은 상술한 단계들을 통해 기형성된 만입부(542)일 수 있다.
한편, 상술한 단계들을 반복함으로써, 상부판(510) 및 하부판(520)의 밀봉부(540)에는 만입부(542)가 적어도 2개 이상 형성될 수 있고, 복수의 만입부(542)가 형성됨으로써 상부판(510) 및 하부판(520) 사이의 결합은 보다 견고해질 수 있다.
펀치와 다이는, 냉각 유로를 형성할 수 있다(S1400). 펀치와 다이의 동작을 통해 유로 형성 홈(550)이 형성됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520)의 중앙 부분에는 유로가 형성될 수 있다. 유로 형성 홈(550)이 깊이를 가지도록 형성됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520) 사이에는 격벽이 형성될 수 있다. 격벽은 냉각 부재(500)의 내부의 냉각수가 흐르는 방향과 수직하도록 냉각 부재(500)의 내부 공간을 가로지를 수 있으며, 격벽은 내부 공간에서 이동하는 냉각수의 흐름을 방해할 수 있다.
냉각 유로를 형성하는 단계(S1400)는, 상부판(510)과 하부판(520)을 준비하는 단계, 상부판(510)과 하부판(520)을 다이에 정렬시키는 단계, 펀치를 상부판(510)과 하부판(520)의 일면을 향해 전진시키는 단계, 상부판(510)과 하부판(520)이 다이의 리세스 형상에 따라 변형되도록 펀치가 상부판(510)과 하부판(520)을 국부적으로 가압하는 단계 및 펀치를 상기 상부판(510)과 하부판(520)과 멀어지도록 후퇴시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 냉각 유로를 형성하는 단계(S1400)는, 펀치를 후퇴시키는 단계 이후에, 상부판(510)과 하부판(520)을 제2 다이에 정렬시킴으로써, 기형성된 유로 형성 홈(550)을 재가압할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 단계는, 상술한 (S1300)단계의 내용을 통해 설명될 수 있으므로, 구체적인 언급을 생략한다.
또 여기서, 냉각 유로를 형성하는 단계(S1400)에 제공되는 상부판(510) 또는 하부판(520)에는 길이 방향상 연장되는 긴 홈이 형성된 상태일 수 있다. 따라서, 냉각 유로를 형성하는 단계(S1400) 또는 상부판(510)을 제공하는 단계(S1100)는 상부판(510) 또는 하부판(520)에 길이 방향상 연장되는 긴 홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 긴 홈에 대한 설명은 유로 형성 홈(550)에 대한 내용을 참조하여 설명될 수 있으므로, 구체적인 언급을 생략한다.
한편, 상술한 단계들을 반복함으로써, 유로 형성 홈(550)은 적어도 2개 이상 형성될 수 있다. 미리 형성된 긴 홈이 존재하는 경우, 유로 형성 홈(550)은 상기 긴 홈을 따라 연속적으로 형성될 수 있다.
펀치와 다이는, 변형 방지 구조를 형성할 수 있다(S1500). 펀치와 다이의 동작을 통해 변형 방지 홈(560)이 형성됨으로써, 상부판(510)과 하부판(520)의 중앙 부분에는 변형 방지 구조가 형성될 수 있다. 변형 방지 홈(560)은 깊이를 가지도록 형성되고, 이에 따라 상부판(510)과 하부판(520) 사이에는 격벽이 형성될 수 있다. 격벽은 냉각 부재(500)의 내부의 냉각수가 흐르는 방향과 수직하도록 냉각 부재(500)의 내부 공간을 가로지를 수 있으며, 이에 따라 내부 공간에 과도한 양의 냉각수가 주입되는 경우에도, 냉각 부재(500)의 변형이 다소 방지될 수 있다.
변형 방지 구조를 형성하는 단계(S1500)는, 상부판(510)과 하부판(520)을 준비하는 단계, 상부판(510)과 하부판(520)을 다이에 정렬시키는 단계, 펀치를 상부판(510)과 하부판(520)의 일면을 향해 전진시키는 단계, 상부판(510)과 하부판(520)이 다이의 리세스 형상에 따라 변형되도록, 펀치가 상부판(510)과 하부판(520)을 국부적으로 가압하는 단계 및 펀치를 상기 상부판(510)과 하부판(520)과 멀어지도록 후퇴시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 변형 방지 구조를 형성하는 단계(S1500)는, 펀치를 후퇴시키는 단계 이후에, 상부판(510)과 하부판(520)을 제2 다이에 정렬시킴으로써, 기형성된 변형 방지 홈(560)을 재가압할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 단계는, 상술한 (S1300)단계의 내용을 통해 설명될 수 있으므로, 구체적인 언급을 생략한다.
한편, 상술한 단계들을 반복함으로써, 변형 방지 홈(560)은 적어도 2개 이상 형성될 수 있다. 변형 방지 홈(560)은 냉각 부재(500)의 폭방향상, 밀봉부(540) 및 유로 형성 홈(550)의 사이에 위치할 수 있다. 변형 방지 홈(560)의 구체적인 위치는 인렛 포트(530)를 통해 유입되는 냉각수를 과도하게 방해하지 않으면서도, 냉각수의 유량 및 유속에 대응할 수 있도록 적절히 설계될 수 있다.
이하에서는 상술한 냉각 부재를 포함하는 전지 팩에 관하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 분해 사시도이다. 도 12는 도 11에 따른 전지 팩에 포함된 전지 모듈의 사시도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩(1000)은 적어도 하나의 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)을 수용하는 팩 프레임(200), 팩 프레임(200)의 내부면에 형성된 수지층(300), 팩 프레임(200)의 개방된 면을 폐쇄하는 엔드 플레이트(400), 및 팩 프레임(200)과 전지셀 적층체(120) 사이에 배치된 냉각 부재(500)를 포함할 수 있다. 그러나 전지 팩(1000)이 포함하는 구성 요소가 이에 한정되는 것은 아니며, 설계에 따라 전지 팩(1000)은 상술한 구성 요소 중 일부가 생략된 상태로 제공될 수도 있고, 언급되지 않은 다른 구성 요소가 추가된 상태로 제공될 수도 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 실시예에 제공되는 전지 모듈(100)은 모듈 프레임이 생략된 형태의 모듈-리스(Module-less)구조를 가질 수 있다.
통상적으로, 종래의 전지 팩들은, 전지셀 적층체 및 이와 연결된 여러 부품들을 조립하여 전지 모듈을 형성하고, 복수의 전지 모듈이 다시 전지 팩에 수용되는 이중 조립 구조를 가지고 있다. 이 때, 전지 모듈은 그 외면을 형성하는 모듈 프레임등을 포함하므로, 종래의 전지셀들은 전지 모듈의 모듈 프레임 및 전지 팩의 팩 프레임에 의해 이중으로 보호되게 된다. 그러나, 이러한 이중 조립 구조는 전지 팩의 제조 단가 및 제조 공정을 증가시킬 뿐 아니라, 일부 전지셀에서 불량이 발생하는 경우 재조립성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한 냉각 부재인 냉각 부재 등이 전지 모듈의 외부에 존재하는 경우, 전지셀과 냉각 부재 사이의 열전달 경로가 다소 복잡해지는 문제가 있다.
이에, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 모듈 프레임이 생략된 ‘셀블록’의 형태로 제공될 수 있으며, 셀블록에 포함된 전지셀 적층체(120)들은 전지 팩(1000)의 팩 프레임(200)에 직접적으로 결합될 수 있다. 이를 통해, 전지 팩(1000)의 구조가 보다 단순해질 수 있으며, 제조 단가 및 제조 공정을 상의 이점을 획득할 수 있고, 전지 팩의 경량화가 달성되는 효과를 가질 수 있다.
이하에서 모듈 프레임을 가지지 않는 전지 모듈(100)은 모듈 프레임을 가지는 전지 모듈과의 구분을 위해 ‘셀블록’으로 지칭될 수 있다. 그러나, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임의 유무와 관계없이 모듈화를 위해 소정의 단위로 세그먼트된 전지셀 적층체(120)를 가지는 것을 총칭하는 것으로써, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임을 가지는 통상적인 전지 모듈 및 셀블록을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 일방향을 따라 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)의 적층 방향상 양단에 위치하는 측면 플레이트(130), 측면 플레이트(130)와 전지셀 적층체(120)의 둘레를 감싸 그 형태를 고정하는 홀딩 스트랩(140) 및 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면을 덮는 버스바 프레임(150)을 포함할 수 있다.
한편, 도 12에서는 셀블록의 형태로 제공되는 전지 모듈(100)을 도시하였으나, 이러한 도면의 내용이 본 실시예의 전지 팩(1000)에 모듈 프레임을 가지는 밀폐형 구조의 전지 모듈(100)의 적용되는 경우를 배제하는 것은 아니다.
전지셀(110)은 각각 전극 조립체, 셀 케이스 및 전극 조립체로부터 돌출된 전극 리드를 포함할 수 있다. 전지셀(110)은 단위 면적당 적층되는 수가 최대화될 수 있는 파우치형 또는 각형으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 파우치형으로 제공되는 전지셀(110)은 양극, 음극 및 분리막을 포함하는 전극 조립체를 라미네이트 시트의 셀 케이스에 수납한 뒤 셀 케이스의 실링부를 열융착함으로써 제조될 수 있다. 한편, 도 11 및 도 12에서는 전지셀(110)의 양극 리드와 음극리드가 서로 반대 방향으로 돌출되는 것을 도시하였으나, 반드시 그러한 것은 아니고, 전지셀(110)의 전극 리드들이 동일한 방향으로 돌출되는 것도 가능하다.
전지셀 적층체(120)는 전기적으로 연결된 복수의 전지셀(110)이 일 방향을 따라 적층된 것일 수 있다. 복수의 전지셀(110)이 적층된 방향(이하에서는 ‘적층 방향’으로 지칭됨)은 도 11 및 도 12에서 도시된 것과 같이 y축 방향(또는 -y축 방향일 수 있으며, 이하에서는 ‘축 방향’이라는 표현이 +/-방향을 모두 포함하는 것으로 해석될 수 있음)일 수 있다.
한편, 전지셀(110)이 일방향을 따라 배치됨으로써 전지셀(110)의 전극 리드들은 전지셀 적층체(120)의 일면 또는 일면 및 일면과 마주보는 타면에 위치할 수 있다. 이처럼, 전지셀 적층체(120)에서 전극 리드들이 위치되는 면은 전지셀 적층체(120)의 전면 또는 후면으로 지칭될 수 있으며, 도 11 및 도 12에서 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면은 x축 상에서 서로 마주보는 두 면으로 도시되었다.
또, 전지셀 적층체(120)에서 최외각 전지셀(110)이 위치한 면은 전지셀 적층체(120)의 측면으로 지칭될 수 있으며, 도 11 및 도 12에서 전지셀 적층체(120)의 측면은 y축 상에서 서로 마주보는 두 면으로 도시되었다.
측면 플레이트(130)는 전지셀 적층체(120)의 전체 형상을 유지하기 위해 제공되는 것일 수 있다. 측면 플레이트(130)는 판상형 부재로써, 모듈 프레임을 대신하여 셀블록의 강성을 보완할 수 있다. 측면 플레이트(130)는 전지셀 적층체(120)의 적층 방향상 양단에 배치될 수 있고, 전지셀 적층체(120)의 양측 최외곽 전지셀(110)과 접촉할 수 있다.
측면 플레이트(130)는 다양한 소재로 제조될 수 있고, 다양한 제조 방법을 통해 제공될 수 있다. 일 예로, 측면 플레이트(130)는 사출 성형으로 제조되는 플라스틱 소재일 수 있다. 다른 예로, 측면 플레이트(130)는 판 스프링 소재로 제조될 수 있다. 또 다른 예로, 측면 플레이트(130)는 스웰링에 따른 전지셀 적층체(120)의 부피 변화에 대응하여 그 형상이 일부 변형될 수 있도록 탄성을 가진 물질로 제조될 수 있다.
홀딩 스트랩(140)은 전지셀 적층체(120)의 양측단 측면 플레이트(130)의 위치 및 형태를 고정하기 위한 것일 수 있다. 홀딩 스트랩(140)은 길이와 폭을 가지는 부재일 수 있다. 구체적으로, 전지셀 적층체(120)는 최외각 전지셀(110)과 접촉하는 두 개의 측면 플레이트(130)의 사이에 위치할 수 있고, 홀딩 스트랩(140)은 전지셀 적층체(120)를 횡단하여 두 개의 측면 플레이트(130)를 연결할 수 있다. 이를 통해 홀딩 스트랩(140)은 두 개의 측면 플레이트(130)의 거리가 일정 범위 이상으로 증가하지 않도록 할 수 있으며, 이에 따라 셀블록의 전체적인 형상이 일정 범위 내로 유지될 수 있다.
홀딩 스트랩(140)은 측면 플레이트(130)와의 안정적인 결합을 위해, 그 길이 방향상 양 말단에 걸고리를 가질 수 있다. 걸고리는 홀딩 스트랩(140)의 길이 방향상 양 말단이 휘어짐으로써 형성될 수 있다. 한편, 측면 플레이트(130)에는 걸고리와 대응하는 위치에 걸림 홈이 형성될 수 있으며, 걸고리와 걸림 홈의 결합을 통해 홀딩 스트랩(140)과 측면 플레이트(130)가 안정적으로 결합될 수 있다.
홀딩 스트랩(140)은 다양한 소재로 또는 다양한 제조 방법을 통해 제공될 수 있다. 일 예로, 홀딩 스트랩(140)은 탄성을 가지는 소재로 제조될 수 있으며, 이를 통해 스웰링에 따른 전지셀 적층체(120)의 부피 변화를 일정 범위 내로 허용할 수 있다.
한편, 홀딩 스트랩(140)은 측면 플레이트(130)와 전지셀 적층체(120) 사이의 상대적인 위치를 고정하기 위한 것으로써, ‘고정 부재’로서의 그 목적이 달성된다면, 도시된 것과 다른 형태로 제공되는 것도 가능하다. 예를 들어, 고정 부재는 두 개의 측면 플레이트(130) 사이를 횡단할 수 있는 긴 볼트, 즉, 롱볼트(long bolt)의 형태로 제공될 수 있다. 측면 플레이트(130)에는 롱볼트가 삽입될 수 있는 홈이 구비될 수 있고, 롱볼트는 홈을 통해 두 측면 플레이트(130)와 동시에 결합함으로써 두 측면 플레이트(130)의 상대적인 위치를 고정할 수 있다. 롱볼트는 측면 플레이트(130)의 가장자리, 바람직하게는 측면 플레이트(130)의 꼭지점에 가까운 위치에 제공될 수 있다. 설계에 따라, 홀딩 스트랩(140)이 상술한 롱볼트로 대체되는 것도 가능하나, 홀딩 스트랩(140)과 롱볼트 모두가 셀블록에 제공되는 것도 가능할 것이다.
버스바 프레임(150)은 전지셀 적층체(120)의 일면 상에 위치하여, 전지셀 적층체(120)의 일면을 커버함과 동시에 전지셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내하기 위한 것일 수 있다. 버스바 프레임(150)은 전지셀 적층체(120)의 전면 또는 후면 상에 위치할 수 있다. 버스바 프레임(150)은 전지셀 적층체(120)의 전면 및 후면 상에 위치하도록 2개가 제공될 수 있다. 버스바 프레임(150)에는 버스바가 장착될 수 있으며, 이를 통해 전지셀 적층체(120)의 전극 리드가 버스바와 연결됨으로써 전지셀 적층체(120)가 외부 기기와 전기적으로 연결될 수 있다.
버스바 프레임(150)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 버스바 프레임(150)은, 버스바가 전극리드와 접합된 부분 외에 전지셀(110)들의 다른 부분과 접촉하는 것을 제한할 수 있으며, 전기적 단락이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
팩 프레임(200)은 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 팩 프레임(200)은 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 팩 프레임(200)의 내부 공간에 수용할 수 있다. 여기서, 팩 프레임(200)은 내부면 및 외부면을 포함하며, 팩 프레임(200)의 내부 공간은 내부면에 의해 정의될 수 있다.
팩 프레임(200) 내에 수용되는 전지 모듈(100)은 복수일 수 있다. 복수의 전지 모듈(100)들은 ‘모듈 어셈블리’로 지칭될 수 있다. 모듈 어셈블리는 팩 프레임(200) 내에서 행 및 열을 이루어 배치될 수 있다. 여기서‘행’ (row)이란 일 방향으로 배열되는 전지 모듈(100)들의 집합을 의미할 수 있고, ‘열’(column)이란 상기 일 방향과 수직하는 방향으로 배열되는 전지 모듈(100)들의 집합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 전지 모듈(100)들은 도 1 과 같이 전지셀 적층체의 적층 방향을 따라 배치되어 하나의 행 또는 열을 이루어 모듈 어셈블리를 형성할 수 있다.
팩 프레임(200)은 일방향을 따라 개방된 중공 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 복수의 전지 모듈(100)이 전지셀(110)의 적층 방향을 따라 연이어 위치하고, 팩 프레임(200)은 상술한 적층 방향을 따라 개방된 중공 형태를 가질 수 있다.
팩 프레임(200)의 구조는 다양할 수 있다. 일 예로, 도 1에 도시된 것과 같이 팩 프레임(200)은 하부 프레임(210) 및 상부 프레임(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 프레임(210)은 판 형상으로 제공될 수 있으며, 상부 프레임(220)은 U자 형상으로 제공될 수 있다. 판 형상의 하부 프레임(210)에는 적어도 하나의 전지 모듈(100)이 배치될 수 있으며, U자 형상의 상부 프레임(220)이 모듈 어셈블리의 상면 및 x축 상의 두 면을 감싸도록 제공될 수 있다.
팩 프레임(200)은 내부 공간에서 발생하는 열을 외부로 빠르게 방출하기 위하여 열전도율이 높은 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 팩 프레임(200)의 적어도 일부는 열전도율이 높은 금속으로 제조될 수 있으며, 그 예로는 알루미늄, 금, 은, 구리, 백금 또는 이들을 포함하는 합금 등일 수 있다. 또, 팩 프레임(200)은 부분적으로 전기 절연성을 가질 수 있으며, 절연이 요구되는 위치에는 절연 필름이 제공되거나, 절연성 도장이 적용될 수 있다. 팩 프레임(200)에서 절연 필름 또는 절연성 도장이 적용된 부분은 절연부로 지칭될 수도 있다.
전지 모듈(100)과 팩 프레임(200)의 내부면 사이에는 수지층(300)이 제공될 수 있다. 수지층(300)은 전지 모듈(100)의 바닥면과 하부 프레임(210)사이에 제공될 수 있다. 수지층(300)은 전지 모듈(100)의 상면과 상부 프레임(220) 사이에 제공될 수 있다. 여기서, 구체적으로, 수지층(300)은 후술할 냉각 부재(500)와 상부 프레임(220) 사이에 제공될 수 있다.
수지층(300)은 전지셀 적층체(120)와 팩 프레임(200)의 내부면 중 일측면 사이에 레진이 주액됨으로써 형성된 것일 수 있다. 그러나 반드시 그러한 것은 아니고, 수지층(300)은 판상형으로 제공되는 부재일 수도 있다.
수지층(300)은 다양한 물질로 제조될 수 있으며, 그 물질에 따라 수지층(300)의 기능이 달라질 수 있다. 예를 들어, 수지층(300)은 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 절연성 수지층(300)을 통해 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200) 사이의 전자이동이 방지될 수 있다. 다른 예를 들어, 수지층(300)은 열전도성 물질로 형성될 수 있다. 열전도성 물질로 제조된 수지층(300)은 전지셀(110)에서 발생한 열을 팩 프레임(200)으로 전달함으로써, 열이 외부로 방출/전달되도록 할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 수지층(300)은 접착 물질을 포함할 수 있으며, 이를 통해 전지 모듈(100)과 팩 프레임(200)이 서로 고정될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 수지층(300)은 실리콘(Silicone)계 소재, 우레탄(Urethane)계 소재 및 아크릴(Acrylic)계 소재 중 적어도 하나를 포함하도록 제공될 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 팩 프레임(200)의 개방된 면을 밀폐함으로써, 전지 모듈(100) 및 이와 연결된 전장품을 외부의 물리적 충격으로부터 보호하기 위한 것일 수 있다. 엔드 플레이트(400)의 각 모서리는 팩 프레임(200)의 대응하는 모서리와 용접 등의 방법으로 결합될 수 있다. 엔드 플레이트(400)는 팩 프레임(200)의 개방된 두 면을 밀폐하도록 두 개가 제공될 수 있으며, 소정의 강도를 가지는 금속 물질로 제조될 수 있다.
엔드 플레이트(400)에는 후술할 냉각 부재(500)의 인렛/아울렛 포트(530) 를 노출하기 위한 개구(410)가 형성될 수 있으며, 외부 기기와의 LV(Low voltage) 연결 또는 HV(High voltage) 연결을 위한 커넥터(420)가 장착될 수 있다.
냉각 부재(500)는 전지셀(110)들로부터 발생된 열을 방출함으로써, 전지 팩(1000) 내부를 냉각하기 위한 것일 수 있다. 냉각 부재(500)에 대한 설명은 상술한 내용을 참조한다.
한편, 도 11에서는 냉각 부재(500)가 전지 모듈(100) 외부에 제공되는 것을 도시하였으나, 반드시 그러한 것은 아니며, 냉각 부재(500)가 전지 모듈(100) 내부에 배치되는 것도 가능하다. 이 때, 전지 모듈(100)은 폐쇄형 구조일 수도 있고, 셀블록과 같은 개방형 구조일 수도 있다.
한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전지 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 전지 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 전지 모듈
110: 전지셀
120: 전지셀 적층체
130: 측면 플레이트
140: 홀딩 스트랩
150: 버스바 프레임
200: 팩 프레임
300: 수지층
400: 엔드 플레이트
500: 냉각 부재
510: 상부판
520: 하부판
530: 인렛/아울렛 포트
540: 밀봉부
542: 만입부
550: 유로 형성 홈
560: 변형 방지 홈

Claims (16)

  1. 전지셀을 냉각시키기 위한 냉각 부재에 있어서,
    상부판, 하부판, 및 상기 상부판과 상기 하부판 사이의 내부 공간에 냉각수를 주입하기 위한 인아웃 포트를 포함하고,
    상기 냉각 부재는 상기 상부판이 상기 하부판으로 도입되거나, 상기 하부판이 상기 상부판으로 도입됨으로써 형성된 만입부를 포함하고,
    상기 냉각 부재의 가장자리 부분에는 제1 만입부가 형성되고,
    상기 냉각 부재의 중앙 부분에는 제2 만입부가 형성되며,
    상기 제1 만입부를 형성하는 상기 상부판과 상기 하부판 사이에는 실링 패드가 위치하는 냉각 부재.
  2. 제1항에서,
    상기 만입부는 깊이를 가지고, 상기 깊이가 연장되는 방향은, 상기 냉각 부재 내부의 냉각수의 흐름 방향과 수직하는 냉각 부재.
  3. 제1항에서,
    상기 만입부는 상기 상부판이 변형된 상부 만입부 및 상기 하부판이 변형된 하부 만입부를 포함하며,
    상기 상부 만입부의 상면의 최저점은, 상기 만입부가 형성되지 않은 상기 하부판의 상면보다 아래에 위치하는 냉각 부재.
  4. 제3항에서,
    상기 상부 만입부의 상면의 최저점은, 상기 만입부가 형성되지 않은 상기 하부판의 하면보다 아래에 위치하는 냉각 부재.
  5. 제1항에서,
    상기 만입부는 상기 상부판이 변형된 상부 만입부 및 상기 하부판이 변형된 하부 만입부를 포함하며,
    상기 상부 만입부의 외경의 최대 값은, 상기 하부 만입부의 내경의 최소 값보다 큰 냉각 부재.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 만입부는 상기 냉각 부재의 길이 방향을 따라 형성된 길쭉한 홈에 형성되는 냉각 부재.
  7. 제1항에서,
    상기 만입부는, 상기 냉각 부재의 폭방향상, 상기 제1 만입부와 상기 제2 만입부 사이에 위치하는 제3 만입부를 포함하는 냉각 부재.
  8. 제1항에서,
    상기 하부판은 제1 소재로 형성된 제1 부분 및 제1 소재와 상이한 제2 소재로 형성된 제2 부분을 포함하는 냉각 부재.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 소재는 알루미늄이고,
    상기 제2 소재는 용융점이 200 ℃ 이하인 열가소성의 고분자 수지인 냉각 부재.
  10. 상부판의 가장자리에 실링 패드를 위치시키는 단계,
    상기 실링 패드가 위치한 상기 상부판과, 하부판을 적층하는 단계,
    제1 만입부를 형성함으로써 상기 실링 패드를 사이에 둔 상기 상부판과 상기 하부판의 가장자리부를 결합하는 단계, 및
    제2 만입부를 형성함으로써, 상기 상부판과 상기 하부판의 중앙부에 냉각 유로를 형성하는 단계를 포함하는 냉각 부재의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    제3 만입부를 형성함으로써, 상기 상부판과 상기 하부판의 중앙부에 변형 방지 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 냉각 부재의 제조 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 상부판과 하부판의 가장자리부를 결합하는 단계는,
    상기 상부판, 상기 실링 패드 및 상기 하부판의 순서로 적층된 적층체를 준비하는 단계,
    상기 적층체를 다이에 정렬시키는 단계,
    상기 적층체를 향해 펀치를 전진시키는 단계,
    상기 적층체가 상기 다이의 리세스 형상에 따라 변형되도록, 상기 펀치가 상기 적층체를 국부적으로 가압하는 단계 및
    상기 적층체와 멀어지도록 상기 펀치를 후퇴시키는 단계를 포함하는 냉각 부재의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 적층체와 멀어지도록 상기 펀치를 후퇴시키는 단계 이후에,
    상기 적층체를 상기 제2 다이에 정렬시키는 단계를 포함하는 냉각 부재의 제조 방법.
  14. 제1항에 따른 냉각 부재를 포함하는 전지 모듈.
  15. 제1항에 따른 냉각 부재를 포함하는 전지 팩.
  16. 제15항에서,
    상기 전지 팩은 개방형 구조의 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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