KR20230007739A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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KR20230007739A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 일측과 타측을 각각 커버하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크; 상기 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트; 및 상기 히트 싱크로부터 상기 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트를 포함한다. 상기 제1 엔드 플레이트는, 상기 제1 엔드 플레이트의 일면에 형성된 제1 마운팅부들을 포함한다. 상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 상기 바닥부로부터, 상기 제1 엔드 플레이트를 지나도록 돌출된 제1 모듈 프레임 돌출부 및 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함한다. 상기 냉매 주입 포트는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 위치하고, 상기 냉매 배출 포트는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 위치한다. 상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트는 상기 제1 엔드 플레이트의 폭 방향을 따라 이격되어 위치하고, 상기 제1 마운팅부들은 상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트 사이에 위치한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각 일체형의 대용량 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 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 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 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 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 기능을 만족해야 한다. 첫 번째로 다양한 환경, 진동, 충격 등에 대한 구조적 내구성을 만족시켜야 한다. 두 번째로 전지팩 내부의 전지셀은 전기에너지를 만들어내며 열을 발산하는데 이를 냉각하기 위한 냉각 시스템이 필수적이다. 이들은 한정된 공간 내에서 복잡한 구조를 이루고 있고, 이는 조립공정에서의 비효율을 야기시킬 수 있다.
따라서, 냉각 구조가 단순화되고, 구조적 내구성이 확보되며, 내부 부품 및 전지 모듈들이 단순하고 집약적으로 배치되어 용량, 공간 활용성 및 조립성이 증대된 전지 모듈과 이를 포함하는 전지팩을 개발하는 것이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단순화된 냉각 구조와 함께 진동, 충격 등에 대한 내구성이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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 전지 모듈은 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임; 상기 전지셀 적층체의 일측과 타측을 각각 커버하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크; 상기 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트; 및 상기 히트 싱크로부터 상기 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트를 포함한다. 상기 제1 엔드 플레이트는, 상기 제1 엔드 플레이트의 일면에 형성된 제1 마운팅부들을 포함한다. 상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 상기 바닥부로부터, 상기 제1 엔드 플레이트를 지나도록 돌출된 제1 모듈 프레임 돌출부 및 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함한다. 상기 냉매 주입 포트는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 위치하고, 상기 냉매 배출 포트는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 위치한다. 상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트는 상기 제1 엔드 플레이트의 폭 방향을 따라 이격되어 위치하고, 상기 제1 마운팅부들은 상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트 사이에 위치한다.
상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트는, 상기 제1 엔드 플레이트의 상기 폭 방향의 양 단부에 대응하도록 위치할 수 있다.
상기 제1 마운팅부에 높이 방향을 따라 개구된 마운팅 홀이 형성될 수 있다.
상기 제1 엔드 플레이트의 중심부와 상기 냉매 주입 포트 사이에 상기 제1 마운팅부들 중 하나가 위치할 수 있고, 상기 제1 엔드 플레이트의 중심부와 상기 냉매 배출 포트 사이에 상기 제1 마운팅부들 중 다른 하나가 위치할 수 있다.
상기 제1 엔드 플레이트의 중심부에 제1 가이드부가 형성될 수 있고, 상기 제1 가이드부에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀이 형성될 수 있다.
상기 제2 엔드 플레이트의 중심부와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 양 단부 사이 중 적어도 한 곳에 제2 가이드부가 형성될 수 있다.
상기 제2 엔드 플레이트의 중심부와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 일 단부 사이 및 상기 제2 엔드 플레이트의 중심부와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 타 단부 사이 각각에 제2 마운팅부들이 형성될 수 있다.
상기 제2 마운팅부들 중 어느 하나와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 상기 일 단부 사이에 제2 가이드부가 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 바닥부와 상기 히트 싱크가 상기 냉매의 유로를 형성할 수 있고, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 냉매와 접촉할 수 있다.
상기 히트 싱크는, 상기 모듈 프레임의 바닥부와 접합되는 하부 플레이트 및 상기 하부 플레이트로부터 하측으로 함몰 형성된 함몰부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈 및 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임을 포함하고, 상기 제1 마운팅부들이 상기 팩 프레임에 체결된다.
상기 제1 엔드 플레이트의 중심부에 제1 가이드부가 형성될 수 있고, 상기 제1 가이드부에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀이 형성될 수 있다.
상기 팩 프레임은, 상기 전지 모듈이 배치되는 팩 바닥부 및 상기 팩 바닥부로부터 상향 돌출된 가이드 핀을 포함할 수 있고, 상기 전지 모듈이 상기 팩 바닥부 상에 배치될 때, 상기 가이드 핀이 상기 가이드 홀을 통과할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 포함된 전지셀의 개수가 증가된 냉각 일체형의 대용량 전지 모듈을 통해 용량 증대와 함께 전지팩을 구성하는 내부 부품 및 구조의 단순화가 가능하다. 특히 냉각 구조와 기타 부품을 전지 모듈과 함께 집약적으로 배치하여 용량 및 공간 활용성을 높일 수 있다. 또한, 냉각 구조의 포트와 모듈 고정을 위한 마운팅부의 위치 조정을 통해 진동, 충격 등에 대한 내구성을 높일 수 있다.
또한, 가이드 핀 구조를 통해 상기 대용량 전지 모듈을 팩 프레임에 수납함에 있어, 제조 공정성을 향상시킬 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 4는 도 1의 전지 모듈의 제1 엔드 플레이트 부분을 확대하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는, 도 1의 전지 모듈에 대해, 히트 싱크가 보이도록 각도를 달리하여 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 2의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 8은, 도 1의 전지 모듈에 대해, 제2 엔드 플레이트가 보이도록 각도를 달리하여 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈, 팩 냉매관 어셈블리, 팩 냉매관 하우징의 일부를 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 주입 포트와 연결 포트를 나타낸 부분 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 12의 “B”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 14는 도 12의 “C”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈들의 배치 형태를 위에서 바라본 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 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 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지 모듈에 포함된 전지셀에 대한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200); 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측을 각각 커버하는 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420); 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 히트 싱크(300); 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(500a); 및 히트 싱크(300)로부터 상기 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(500b)를 포함한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 융착하여 형성될 수 있다. 이러한 전지셀(110)은 장방형 시트 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다.
다만, 위에서 설명한 전지셀(110)은 예시적 구조이며, 2개의 전극 리드가 동일한 방향으로 돌출된 단방향 전지셀도 가능함은 물론이다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다. 전지 케이스(114)는 일반적으로 수지층/금속 박막층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있다. 예를 들어, 전지 케이스 표면이 O(oriented)-나일론 층으로 이루어져 있는 경우에는, 중대형 전지 모듈을 형성하기 위하여 다수의 전지 셀들을 적층할 때, 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 전지 셀들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 전지 케이스의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다.
도 3에 도시된 전지셀(110)이 적층되는 경우, 전지셀(110)의 어느 한 전극 리드(111)는 제1 엔드 플레이트(410)를 향해 돌출되고, 전지셀(110)의 다른 한 전극 리드(112)는 제2 엔드 플레이트(420)를 향해 돌출될 수 있다. 전지셀(110)의 연결부(115)는 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 방향으로 향할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)는 전지셀(110)의 개수가 종래 보다 많아지는 대면적 모듈일 수 있다. 일례로, 전지 모듈(100) 당 32개 내지 48개의 전지셀(110)이 포함될 수 있다. 이러한 대면적 모듈의 경우, 엔드 플레이트(410, 420)들 각각의 폭 방향의 길이가 길어지게 된다. 여기서, 엔드 플레이트(410, 420)들 각각의 폭 방향이란, 전지셀(110)이 적층되는 방향, 즉 x축과 평행한 방향을 가리킬 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 U자형 프레임(210) 및 상부 커버(220)를 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 커버할 수 있다.
상부 커버(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)는 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)는 모듈 프레임(200)의 개방된 양측(y축 방향과 -y축 방향)에 각각 위치하여 전지셀 적층체(120)의 일측과 타측를 커버하도록 형성될 수 있다. 상기 일측과 상기 타측은 서로 반대되는 방향일 수 있다. 특히, 전지셀 적층체(120)의 상기 일측과 상기 타측은, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)들이 각각 돌출되는 방향일 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)는 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 방향의 전지셀 적층체(120)의 상기 일측과 상기 타측에 각각 위치할 수 있다.
제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)가 모듈 프레임(200)의 개방된 양측에 위치하여, 모듈 프레임(200)과 용접 등의 방법으로 접합될 수 있다. 이러한 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호하기 위해 소정의 강도를 갖는 금속 소재를 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 제1 엔드 플레이트(410) 사이 및 전지셀 적층체(120)와 제2 엔드 플레이트(420) 사이 각각에는 버스바 프레임 및 절연 커버가 위치할 수 있다. 버스바 프레임에는 버스바가 장착되어, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)가 연결될 수 있다. 절연 커버는 이러한 버스바나 전극 리드(111, 112)가 제1 엔드 플레이트(410)나 제2 엔드 플레이트(420)와 접촉되는 것을 차단할 수 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 7 등을 참고하여, 본 실시예에 따른 히트 싱크와 냉각 포트에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 도 1의 전지 모듈의 제1 엔드 플레이트 부분을 확대하여 나타낸 분해 사시도이다. 도 5는, 도 1의 전지 모듈에 대해, 히트 싱크가 보이도록 각도를 달리하여 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 2의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크를 나타낸 사시도이다. 도 7은 도 6의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 7을 도 2와 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 상술한 바 대로, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치한다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300) 사이에서 냉매가 흐를 수 있다. 즉, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)가 냉매의 유로를 형성할 수 있고, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 기본 틀을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 접합되는 하부 플레이트(310) 및 하부 플레이트(310)로부터 하측으로 함몰 형성된 함몰부(340)를 포함할 수 있다.
함몰부(340)는 냉매가 유동하는 경로가 된다. 하부 플레이트(310)는 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접의 방법으로 접합될 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)로부터 제1 엔드 플레이트(410)를 지나도록 돌출된 제1 모듈 프레임 돌출부(211) 및 제2 모듈 프레임 돌출부(212)를 포함한다.
이 때, 히트 싱크(300)는 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 제1 모듈 프레임 돌출부(211)가 위치한 부분으로 돌출된 제1 히트 싱크 돌출부(300P1) 및 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 제2 모듈 프레임 돌출부(212)가 위치한 부분으로 돌출된 제2 히트 싱크 돌출부(300P2)를 포함할 수 있다. 함몰부(340)는 제1 히트 싱크 돌출부(300P1)에서부터 제2 히트 싱크 돌출부(300P2)까지 이어질 수 있는데, 제1 히트 싱크 돌출부(300P1)와 제2 히트 싱크 돌출부(300P2)는 각각 냉매가 유입되는 영역과 냉매가 배출되는 영역일 수 있다. 제1 히트 싱크 돌출부(300P1)와 제1 모듈 프레임 돌출부(211)가 용접으로 접합될 수 있고, 제2 히트 싱크 돌출부(300P2)와 제2 모듈 프레임 돌출부(212)가 용접으로 접합될 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)는, 하부 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(340)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면이나 yz평면으로 자른 단면이 U자형인 관일 수 있으며, 상기 U자형인 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 도 7에는 상부가 개방된 형태의 함몰부(340)가 도시되어 있다. 히트 싱크(300)의 하부 플레이트(310)가 바닥부(210a)와 접하면서, 함몰부(340)과 바닥부(210a) 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(300)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 냉각 포트(500)를 포함하는데, 냉각 포트(500)는 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(500a) 및 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(500b)를 포함한다. 구체적으로, 냉매 주입 포트(500a)는 제1 모듈 프레임 돌출부(211) 상에 위치하고, 냉매 배출 포트(500b)는 제2 모듈 프레임 돌출부(212) 상에 위치한다.
냉매 주입 포트(500a)를 통해 공급된 냉매는, 제1 모듈 프레임 돌출부(211)와 제1 히트 싱크 돌출부(300P1) 사이를 거쳐 함몰부(340)와 바닥부(210a) 사이의 공간으로 처음 유입된다. 이후, 냉매는 함몰부(340)를 따라 순환하고, 제2 모듈 프레임 돌출부(212)와 제2 히트 싱크 돌출부(300P2) 사이를 거쳐 냉매 배출 포트(500b)를 통해 배출된다. 이러한 방식으로 전지 모듈(100)에 대한 냉매 순환 구조가 이루어질 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 2의 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함하는 열전도성 수지층이 위치할 수 있다. 상기 열전도성 수지층은 열전도성 수지(Thermal resin)를 바닥부(210a)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)과 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 함으로써 냉각 일체형 구조를 구현할 수 있다. 직접 냉각에 따라 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(300)가 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)이 장착된 전지팩(1000) 상의 공간 활용도를 높일 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)에서 발생한 열이 전지셀 적층체(120)와 바닥부(210a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(미도시), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a), 냉매를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달될 수 있다. 종래의 불필요한 냉각 구조를 제거함으로써, 열전달 경로가 단순화되고, 각 층 사이의 에어 갭을 줄일 수 있기 때문에 냉각 효율이나 성능이 증대될 수 있다. 특히, 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트로 구성되어, 바닥부(210a)가 바로 냉매와 맞닿기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조의 제거를 통해 전지 모듈(100)의 높이가 감소하여, 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있다. 나아가, 전지 모듈(100)이 콤팩트하게 배치될 수 있으므로, 전지 모듈(100)을 다수 포함하는 전지팩(1000)의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300) 중 함몰부(340)가 형성되지 않은 하부 플레이트(310) 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(200)에 수용된 전지셀 적층체(120)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 하부 플레이트(310)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 용량 증대 등을 위해, 종래 보다 많은 32개 내지 48개의 전지셀(110)을 포함한다. 다만, 전지셀(110)의 개수가 많아지고, 전지 모듈(100)의 엔드 플레이트(410, 420)들의 폭 방향 길이가 길어지는 것이므로, 각 전지셀(110)에 대한 냉각 효율이 떨어질 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 히트 싱크(300)의 구조를 통해 냉각 일체형 구조를 구현함으로써, 전지셀(110)의 개수를 늘리면서도 냉각 효율을 높일 수 있다. 즉, 냉각 일체형의 대용량 전지 모듈(100)을 형성할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되기 위해 함몰부(340)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 함몰부(340)에는 돌출 패턴(340D)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈(100)의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 상술한 바 대로, 대면적 전지 모듈에서는, 기존에 하나의 전지 모듈 내에 대략 12개 내지 24개의 전지셀이 적층된 것과 비교하여, 대략 32개 내지 48개의 전지셀(110)이 하나의 전지 모듈(100) 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 돌출 패턴(340D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
이하에서는, 제1 엔드 플레이트에 형성된 제1 마운팅부에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 2, 도 4 및 도 5를 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 제1 엔드 플레이트(410)는, 제1 엔드 플레이트(410)의 일면에 형성된 제1 마운팅부(410M)들을 포함한다. 이 때, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)는 제1 엔드 플레이트(410)의 폭 방향을 따라 이격되어 위치하고, 제1 마운팅부(410M)들은 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b) 사이에 위치한다. 제1 엔드 플레이트(410)의 폭 방향은 앞서 설명한 것처럼, 전지셀(110)이 적층되는 방향, 즉 도 2에서 x축과 평행한 방향을 의미한다.
제1 마운팅부(410M)는, 제1 엔드 플레이트(410)의 일면과 수직한 방향으로 돌출된 형태일 수 있다. 또한, 제1 마운팅부(410M)에는 높이 방향을 따라 개구된 마운팅 홀(410MH)이 형성될 수 있다. 여기서 높이 방향이라 함은, 도 2에서 z축과 평행한 방향을 의미할 수 있다. 전지 모듈(100)이 팩 프레임에 장착될 때, 볼트가 제1 마운팅부(410M)의 마운팅홀(410MH)을 통과하여 상기 팩 프레임에 조립될 수 있다. 이러한 방식으로, 전지 모듈(100)이 팩 프레임에 고정 및 장착될 수 있다. 자세한 내용은 도 13 및 도 14와 함께 후술하도록 한다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에 있어서, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)를 폭 방향을 따라 이격되도록 배치하고, 그 사이에 전지 모듈(100)의 고정을 위한 제1 마운팅부(410M)들을 배치한다. 제1 마운팅부(410M)들을 제1 엔드 플레이트(410)의 중앙 영역 인근에 배치하여 진동이나 충격에 대한 전지 모듈(100)의 내구성을 높이고자 하였다. 동시에 냉각 포트(500)를 제1 엔드 플레이트(410)의 양 단부에 가까운 영역에 배치하여 공간의 효율성을 향상시키고자 하였다.
본 발명에 대한 비교예로써, 마운팅부들을 엔드 플레이트의 폭 방향 양 단부에 각각 배치하고, 마운팅부들 사이에 냉각 포트들을 배치할 수 있다. 이 경우, 제1 엔드 플레이트(410)의 중앙 영역에서의 내구성이 취약해지고, 진동이나 충격 시 전지 모듈(100)에 파손이 발생할 수 있다. 특히, 폭 방향을 따라 적층되는 전지셀(110)의 개수가 많아지는 대면적 전지 모듈(100)의 경우, 엔드 플레이트(410, 420)의 폭 방향 길이가 늘어나는 것이기 때문에 마운팅부들을 양 단부에 배치하면, 엔드 플레이트(410, 420)의 중앙 영역이 구조적으로 취약해지고, 또 무게로 인한 처짐 현상이 발생할 수 있다. 이에, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)를 폭 방향을 따라 이격되도록 배치하고, 그 사이에 제1 마운팅부(410M)들을 배치함으로써, 전지 모듈(100)의 내구성을 높이고 동시에 공간 활용성을 확보하고자 하였다. 이는, 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈(100)에서 보다 효과적이다.
보다 구체적으로, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)는, 제1 엔드 플레이트(410)의 상기 폭 방향의 양 단부에 대응하도록 위치할 수 있다. 또한, 제1 엔드 플레이트(410)의 중심부와 냉매 주입 포트(500a) 사이에 제1 마운팅부(410M)들 중 어느 하나가 위치할 수 있고, 제1 엔드 플레이트(410)의 중심부와 냉매 배출 포트(500b) 사이에 제1 마운팅부(410M)들 중 다른 하나가 위치할 수 있다. 이때, 본 명세서에서, 제1 엔드 플레이트(410)의 중심부는, 제1 엔드 플레이트(410)의 상기 폭 방향을 기준으로 그 중앙 지점을 가리킨다. 예시적 구조로써, 상기 폭 방향에 대해, 제1 엔드 플레이트(410)의 1/4에 해당하는 지점에 제1 마운팅부(410M)들 중 어느 하나가 위치하고 제1 엔드 플레이트(410)의 3/4에 해당하는 지점에 제1 마운팅부(410M)들 중 다른 하나가 위치할 수 있다.
한편, 제1 마운팅부(410M)가 후술하는 볼트를 통해 팩 프레임에 고정되는데, 냉매 주입 포트(500a)가 위치한 제1 모듈 프레임 돌출부(211)와 냉매 배출 포트(500b)가 위치한 제2 모듈 프레임 돌출부(212)는 제1 엔드 플레이트(410)를 지나도록 돌출된다. 이 때, 제1 마운팅부(410M)의 마운팅홀(410MH)을 통과하는 볼트에 의한 높이 방향으로의 체결력이 제1 모듈 프레임 돌출부(211)와 제2 모듈 프레임 돌출부(212)를 하부 방향으로 가압할 수 있다. 이로 인해, 제1 모듈 프레임 돌출부(211)와 제1 히트 싱크 돌출부(300P1)가 서로 강하게 밀착되고, 제2 모듈 프레임 돌출부(212)와 제2 히트 싱크 돌출부(300P2)가 서로 강하게 밀착될 수 있다. 상기와 같은 가압 구조를 통해 냉매가 흐르는 영역에 대한 밀봉성을 높여 냉매 누설 가능성을 줄일 수 있다. 종합하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈은, 마운팅 고정과 냉매 누설 방지를 위한 가압 실링이 동시에 가능하다는 장점을 갖는다.
이하에서는, 도 8 등을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드부 등에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 8은, 도 1의 전지 모듈에 대해, 제2 엔드 플레이트가 보이도록 각도를 달리하여 나타낸 사시도이다.
도 2, 도 4를 먼저 참고하면, 제1 엔드 플레이트(410)의 중심부에 제1 가이드부(410G)가 형성될 수 있고, 이러한 제1 가이드부(410G)에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀(410GH)이 형성될 수 있다. 높이 방향이라 함은, 마운팅 홀(410MH)에서와 마찬가지로, 도 2에서 z축과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
다음 도 8을 참고하면, 제2 엔드 플레이트(420)에 제2 마운팅부(420M)들이 형성될 수 있다. 구체적으로, 제2 엔드 플레이트(420)의 중심부와 제2 엔드 플레이트(420)의 폭 방향의 일 단부 사이 및 제2 엔드 플레이트(420)의 중심부와 제2 엔드 플레이트(420)의 폭 방향의 타 단부 사이 각각에 제2 마운팅부(420M)들이 형성될 수 있다. 즉, 제1 마운팅부(410M)들의 위치와 각각 대응되도록 제2 마운팅부(420M)들이 제2 엔드 플레이트(420)의 일면에 형성될 수 있다. 이때, 본 명세서에서, 제2 엔드 플레이트(420)의 중심부는, 제2 엔드 플레이트(420)의 폭 방향을 기준으로 그 중앙 지점을 가리킨다.
또한, 제1 마운팅부(410M)와 마찬가지로, 제2 마운팅부(420M)에는 높이 방향을 따라 개구된 마운팅 홀(420MH)이 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제1 엔드 플레이트(410)에 형성된 제1 마운팅부(410M)들과 제2 엔드 플레이트(420)에 형성된 제2 마운팅부(420M)들에 의해 후술하는 팩 프레임에 고정될 수 있다. 이는 도 13 및 도 14에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
한편, 제2 엔드 플레이트(420)에 제2 가이드부(420G)가 형성될 수 있고, 이러한 제2 가이드부(420G)에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀(420GH)이 형성될 수 있다. 제1 가이드부(410G)와 제2 가이드부(420G)의 기능에 대해서는 도 13 및 14에서 자세히 설명하도록 한다.
이하에서는, 도 9 내지 도 11을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩과 냉매 순환 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 분해 사시도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈, 팩 냉매관 어셈블리, 팩 냉매관 하우징의 일부를 나타낸 사시도이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 주입 포트와 연결 포트를 나타낸 부분 도면이다.
도 9 내지 도 11을 도 2와 함께 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100)을 포함한다. 전지 모듈(100)은 하나 또는 복수로 팩 프레임(1100)에 수납될 수 있다. 한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지팩(1000)은 팩 프레임(1100)을 덮는 팩 커버을 더 포함할 수 있고, 전지 모듈(100)은 팩 프레임(1100)과 팩 커버 사이의 공간에 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100)의 냉각 포트(500)와 연결되는 팩 냉매관 어셈블리(600) 및 팩 냉매관 어셈블리(600)를 수납하는 팩 냉매관 하우징(700)을 포함할 수 있다. 전지 모듈(100)이 복수로 구성될 경우, 서로 마주하는 제1 전지 모듈(100a) 및 제2 전지 모듈(100b)이 배치될 수 있다. 팩 냉매관 어셈블리(600) 및 팩 냉매관 하우징(700)은 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 서로 마주하는 제3 전지 모듈(100c) 및 제4 전지 모듈(100d)이 더 배치될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 제1 내지 제4 전지 모듈(100a, 100b, 100c, 100d)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전지 모듈(100a, 100b)은 전지셀(110)이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라 배치될 수 있고, 제3 및 제4 전지 모듈(100c, 100d)도, 전지셀(110)이 적층되는 방향과 수직한 방향을 따라 배치될 수 있다. 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b)은 각각의 제1 엔드 플레이트(410)끼리 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 제3 전지 모듈(100c)과 제4 전지 모듈(100d)도 각각의 제1 엔드 플레이트(410)끼리 마주하도록 배치될 수 있다.
제1 내지 제4 전지 모듈(100a, 100b, 100c, 100d)은 격자 형으로 배열될 수 있다. 팩 냉매관 어셈블리(600) 및 팩 냉매관 하우징(700)은, 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b) 사이, 제3 전지 모듈(100c)과 제4 전지 모듈(100d) 사이 및 제2 전지 모듈(100b)과 제4 전지 모듈(100d) 사이를 따라 이어지며 T자형 구조를 형성할 수 있다.
제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b) 사이의 공간에는, 전지 모듈(100a, 100b) 각각에 형성된 냉각 포트(500)가 모두 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1 전지 모듈(100a)의 모듈 프레임 돌출부(211, 212)들은 제2 전지 모듈(100b)이 위치한 방향으로 돌출되고, 제2 전지 모듈(100b)의 모듈 프레임 돌출부(211, 212)들은 제1 전지 모듈(100a)이 위치한 방향으로 돌출될 수 있다. 이러한 모듈 프레임 돌출부(211, 212)들의 상면부에 냉각 포트(500)가 각각 위치할 수 있다.
이 때, 제1 전지 모듈(100a)의 냉매 주입 포트(500a)와 제2 전지 모듈(100b)의 냉매 배출 포트(500b)가 서로 마주보면서 배치될 수 있고, 제1 전지 모듈(100a)의 냉매 배출 포트(500b)와 제2 전지 모듈(100b)의 냉매 주입 포트(500a)가 서로 마주보면서 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 제3 전지 모듈(100c)의 냉매 주입 포트(500a)와 제4 전지 모듈(100d)의 냉매 배출 포트(500b)가 서로 마주보면서 배치될 수 있고, 제3 전지 모듈(100c)의 냉매 배출 포트(500b)와 제4 전지 모듈(100d)의 냉매 주입 포트(500a)가 서로 마주보면서 배치될 수 있다.
팩 냉매관 어셈블리(600)는, 팩 냉매관(610) 및 팩 냉매관(610)과 전지 모듈(100)의 냉각 포트(500)를 연결하는 연결 포트(620)를 포함할 수 있다. 일례로, 도 11에 도시된 것처럼, 연결 포트(620)가 냉매 주입 포트(500a)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 냉매 주입 포트(500a)가 연결 포트(620)의 하측으로 삽입 결합하고, 연결 포트(620)의 하단은 제1 모듈 프레임 돌출부(211)의 상면부와 접할 수 있다. 즉, 냉매 주입 포트(500a)가 연결 포트(620)의 내부로 삽입되는 형태로, 냉매 주입 포트(500a)와 연결 포트(620)가 결합될 수 있다.
또한, 냉매 주입 포트(500a)와 연결 포트(620) 사이에 실링 부재(630)가 위치할 수 있다. 이러한 실링 부재(630)는 고리 형태일 수 있고, 냉매 주입 포트(500a)와 연결 포트(620) 사이에 끼워질 수 있다. 실링 부재(630)가 냉매 주입 포트(500a)에 끼워진 채, 냉매 주입 포트(500a)와 함께 연결 포트(620) 내부로 삽입될 수 있다. 실링 부재(630)는, 냉매 주입 포트(500a)와 연결 포트(620) 사이의 틈에서 냉매가 누설되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 냉매 배출 포트(500b)도, 상기 냉매 주입 포트(500a)에서와 같이, 실링 부재(630)를 사이에 두고 다른 연결 포트(620)와 연결될 수 있다.
상기 내용을 종합하면, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)에 있어서, 어느 한 팩 냉매관(610)과 연결 포트(620)를 통해 전지 모듈(100)의 냉매 주입 포트(500a)로 냉매가 주입되고, 주입된 냉매는 히트 싱크(300) 내부를 순환한다. 이후, 냉매는 전지 모듈(100)의 냉매 배출 포트(500b)와 다른 연결 포트(620)를 통해 다른 팩 냉매관(610)으로 배출된다. 이러한 방식으로, 전지팩(1000)의 냉매 순환 구조가 형성될 수 있다.
상술한 바 대로, 팩 냉매관 하우징(700)은 팩 냉매관 어셈블리(600)를 수용할 수 있다. 전지팩(1000)은 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있는데, 조립 불량이나 운행 중 사고 등의 원인으로 냉각수 등의 냉매가 누설되는 상황이 발생할 수 있다. 이렇게 누설된 냉매는 전지팩(1000)을 구성하는 다수의 부품 내부로 침투하여 화재나 폭발의 원인이 될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 팩 냉매관 하우징(700)은 팩 냉매관 어셈블리(600)의 바닥면 및 측면들을 커버하도록 형성됨으로써, 팩 냉매관 어셈블리(600)로부터 누출된 냉매가 팩 냉매관 하우징(700) 내부에 머물도록 하여, 전지팩(1000) 내의 다른 부품들에 누출된 냉매가 침투하는 현상을 방지할 수 있다. 이때, 팩 냉매관 하우징(700)이 누출된 냉매를 최대한 많이 수용할 수 있도록 복수의 전지 모듈(100) 사이 공간을 활용하여 팩 냉매관 하우징(700)의 용적을 최대한 확보하는 것이 바람직하다.
팩 냉매관 하우징(700)의 개방된 상부는 하우징 커버(700C)가 덮을 수 있다. 이를 통해 팩 냉매관 어셈블리(600)로부터 누출된 냉매가 팩 냉매관 하우징(700)의 상측 개방 공간으로 누출되는 현상을 방지할 수 있다.
팩 냉매관 하우징(700)과 하우징 커버(700C) 사이에는, 제1 가스켓(700G1)이 위치할 수 있다. 제1 가스켓(700G1)은 팩 냉매관 하우징(700)과 하우징 커버(700C) 사이를 밀봉한다. 제1 가스켓(700G1)은 팩 냉매관 하우징(700)의 상단 모서리를 따라 형성될 수 있다. 하우징 커버(700C)는 팩 냉매관 하우징(700)의 상단 모서리를 따라 형성된 제1 가스켓(700G1)과 밀착되어, 팩 냉매관 하우징(700)의 상측부로 냉매가 누출되는 현상을 차단할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 팩 냉매관 하우징(700)의 바닥면에는 개구부(710P)가 형성될 수 있다. 이러한 개구부(710P)가 형성된 부분에 제2 가스켓(700G2)이 결합될 수 있다.
제2 가스켓(700G2)은 모듈 프레임 돌출부(211, 212)와 팩 냉매관 하우징(700) 사이에 위치하여, 모듈 프레임 돌출부(211, 212)와 팩 냉매관 하우징(700) 사이를 밀봉할 수 있다. 이때 냉매 주입 포트(500a)나 냉매 배출 포트(500b)는, 제2 가스켓(700G2) 및 개구부(710P)를 상측으로 관통하여 팩 냉매관 하우징(700)의 내부로 돌출되고, 앞서 설명한 방식으로 연결 포트(620)와 연결될 수 있다.
이하에서는, 도 12 내지 도 14 등을 참고하여, 마운팅부를 통한 고정 방식과 가이드부의 기능에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다. 도 13은 도 12의 “B”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다. 도 14는 도 12의 “C”부분을 확대하여 나타낸 부분 도면이다.
먼저, 도 4, 도 12 및 도 13을 참고하면, 상술한 바 대로, 전지 모듈(100)의 제1 엔드 플레이트(410)에 제1 마운팅부(410M)들이 형성되고, 제1 마운팅부(410M)들이 팩 프레임(1100)에 체결된다.
구체적으로, 팩 프레임(1100)은, 전지 모듈(100)이 배치되는 팩 바닥부(1110)를 포함할 수 있고, 볼트(1112)가 제1 마운팅부(410M)의 마운팅 홀(410MH)을 통과하여 팩 바닥부(1110)에 마련된 체결부(1113)에 조립될 수 있다. 일례로, 볼트(1112)는 외주면에 나사산이 형성된 부재로써, 체결부(1113)에 형성된 너트홀에 조립될 수 있다. 이러한 방식으로, 전지 모듈(100)의 제1 엔드 플레이트(410)가 팩 바닥부(1110)에 고정될 수 있다.
한편, 상술한 것처럼, 제1 엔드 플레이트(410)의 중심부에 제1 가이드부(410G)가 형성될 수 있고, 제1 가이드부(410G)에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀(410GH)이 형성될 수 있다. 또한, 팩 프레임(1100)은, 팩 바닥부(1110)로부터 상향 돌출된 가이드 핀(1111)을 포함할 수 있다. 제1 마운팅부(410M)를 통한 고정에 앞서, 전지 모듈(100)이 팩 바닥부(1110) 상에 배치될 때, 가이드 핀(1111)이 제1 가이드부(410G)의 가이드 홀(410GH)을 통과하도록 전지 모듈(100)이 이동한다. 이를 통해 부피나 무게가 증가된 전지 모듈(100)을 보다 정확하고 안정적으로 팩 바닥부(1110)의 목표한 곳에 위치시킬 수 있고, 마운팅 홀(410MH)과 체결부(1113)를 서로 대응시키기에도 용이하다. 즉, 본 실시예에 따른 제1 가이드부(410G)는 전지 모듈(100)의 팩 프레임(1100)에 대한 조립성 향상을 위한 가이드 부재로써 기능한다.
다음, 도 8, 도 12 및 도 14를 참고하면, 상술한 바 대로, 전지 모듈(100)의 제2 엔드 플레이트(420)에 제2 마운팅부(420M)들이 형성되고, 제2 마운팅부(420M)들이 팩 프레임(1100)에 체결된다.
제1 마운팅부(410M)와 유사하게, 볼트(1112)가 제2 마운팅부(420M)의 마운팅 홀(420MH)을 통과하여 팩 바닥부(1110)에 마련된 체결부(1113)에 조립될 수 있다. 일례로, 볼트(1112)는 외주면에 나사산이 형성된 부재로써, 체결부(1113)에 형성된 너트홀에 조립될 수 있다. 이러한 방식으로, 전지 모듈(100)의 제2 엔드 플레이트(420)가 팩 바닥부(1110)에 고정될 수 있다.
한편, 상술한 것처럼, 제2 엔드 플레이트(420)에 제2 가이드부(420G)가 형성될 수 있고, 제2 가이드부(420G)에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀(420GH)이 형성될 수 있다. 제2 마운팅부(420M)를 통한 고정에 앞서, 전지 모듈(100)이 팩 바닥부(1110) 상에 배치될 때, 가이드 핀(1111)이 제2 가이드부(420G)의 가이드 홀(420GH)을 통과하도록 전지 모듈(100)이 이동한다. 이를 통해 부피나 무게가 증가된 전지 모듈(100)을 보다 정확하고 안정적으로 팩 바닥부(1110)의 목표한 곳에 위치시킬 수 있고, 마운팅 홀(420MH)과 체결부(1113)를 서로 대응시키기에도 용이하다. 즉, 본 실시예에 따른 제2 가이드부(420G)는, 제1 가이드부(410G)와 마찬가지로, 전지 모듈(100)의 팩 프레임(1100)에 대한 조립성 향상을 위한 가이드 부재로써 기능한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈들의 배치 형태를 위에서 바라본 평면도이다.
도 4, 도 8 및 도 15를 함께 참고하면, 제1 엔드 플레이트(410)의 중심부에 제1 가이드부(410G)가 형성될 수 있다. 특히, 제1 마운팅부(410M)들 사이에 제1 가이드부(410G)가 위치할 수 있다.
한편, 제2 엔드 플레이트(420)의 중심부와 제2 엔드 플레이트(420)의 폭 방향의 양 단부 사이 중 적어도 한 곳 제2 가이드부(420G)가 형성될 수 있다. 도 8 및 도 15에는, 제2 엔드 플레이트(420)의 중심부와 제2 엔드 플레이트(420)의 폭 방향의 일 단부 사이 한곳에 제2 가이드부(420G)가 형성된 모습이 도시되어 있다. 보다 구체적으로는, 제2 가이드부(420G)는 제2 마운팅부(420M)들 중 어느 하나와 제2 엔드 플레이트(420)의 폭 방향의 일 단부 사이에 위치할 수 있다.
제1 엔드 플레이트(410)의 중심부에 형성된 제1 가이드부(410G)와 달리, 제2 가이드부(420G)는, 제2 엔드 플레이트(420)의 중심부가 아닌, 폭 방향의 일 단부에 가까이 위치할 수 있다. 도 15에서와 같이, 전지 모듈(100)을 위에서 바라봤을 때, 제1 가이드부(410G)와 제2 가이드부(420G)가 서로 비대칭적으로 배치될 수 있다. 이와 같이, 제1 가이드부(410G)와 제2 가이드부(420G)를 비대칭적으로 위치하도록 형성함으로써, 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)에 장착될 때 오조립되는 것을 방지할 수 있다. 이는 제1 엔드 플레이트(410)와 제2 엔드 플레이트(420)의 위치가 서로 바뀌어 조립되지 않도록 하는 설계이다. 본 실시예에 따른 제1 가이드부(410G)와 제2 가이드부(420G)는, 전지 모듈(100)의 팩 프레임(1100)에 대한 조립성 향상의 기능뿐만 아니라, 전지 모듈(100)의 오조립 현상을 방지하는 기능도 수행할 수 있다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 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
200: 모듈 프레임
300: 히트 싱크
410: 제1 엔드 플레이트
410M: 제1 마운팅부
500a: 냉매 주입 포트
500b: 냉매 배출 포트

Claims (13)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임;
    상기 전지셀 적층체의 일측과 타측을 각각 커버하는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트;
    상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 히트 싱크;
    상기 히트 싱크에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트; 및
    상기 히트 싱크로부터 상기 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트를 포함하고,
    상기 제1 엔드 플레이트는, 상기 제1 엔드 플레이트의 일면에 형성된 제1 마운팅부들을 포함하며,
    상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 상기 바닥부로부터, 상기 제1 엔드 플레이트를 지나도록 돌출된 제1 모듈 프레임 돌출부 및 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함하고,
    상기 냉매 주입 포트는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 위치하고, 상기 냉매 배출 포트는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 위치하며,
    상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트는 상기 제1 엔드 플레이트의 폭 방향을 따라 이격되어 위치하고, 상기 제1 마운팅부들은 상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트 사이에 위치하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 냉매 주입 포트와 상기 냉매 배출 포트는, 상기 제1 엔드 플레이트의 상기 폭 방향의 양 단부에 대응하도록 위치하는 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 마운팅부에 높이 방향을 따라 개구된 마운팅 홀이 형성된 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 엔드 플레이트의 중심부와 상기 냉매 주입 포트 사이에 상기 제1 마운팅부들 중 하나가 위치하고, 상기 제1 엔드 플레이트의 중심부와 상기 냉매 배출 포트 사이에 상기 제1 마운팅부들 중 다른 하나가 위치하는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 엔드 플레이트의 중심부에 제1 가이드부가 형성되고,
    상기 제1 가이드부에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀이 형성된 전지 모듈.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 엔드 플레이트의 중심부와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 양 단부 사이 중 적어도 한 곳에 제2 가이드부가 형성되는 전지 모듈.
  7. 제5항에서,
    상기 제2 엔드 플레이트의 중심부와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 일 단부 사이 및 상기 제2 엔드 플레이트의 중심부와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 타 단부 사이 각각에 제2 마운팅부들이 형성된 전지 모듈.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 마운팅부들 중 어느 하나와 상기 제2 엔드 플레이트의 폭 방향의 상기 일 단부 사이에 제2 가이드부가 형성되는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 바닥부와 상기 히트 싱크가 상기 냉매의 유로를 형성하고,
    상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 냉매와 접촉하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 히트 싱크는, 상기 모듈 프레임의 바닥부와 접합되는 하부 플레이트 및 상기 하부 플레이트로부터 하측으로 함몰 형성된 함몰부를 포함하는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈;
    상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임을 포함하고,
    상기 제1 마운팅부들이 상기 팩 프레임에 체결되는 전지팩.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 엔드 플레이트의 중심부에 제1 가이드부가 형성되고,
    상기 제1 가이드부에 높이 방향을 따라 개구된 가이드 홀이 형성된 전지팩.
  13. 제12항에서,
    상기 팩 프레임은, 상기 전지 모듈이 배치되는 팩 바닥부 및 상기 팩 바닥부로부터 상향 돌출된 가이드 핀을 포함하고,
    상기 전지 모듈이 상기 팩 바닥부 상에 배치될 때, 상기 가이드 핀이 상기 가이드 홀을 통과하는 전지팩.
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