KR20240063224A - 침냉식 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 및 차량 - Google Patents

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KR20240063224A
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엄태기
김두승
유재욱
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

침냉식 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 및 차량이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈은, 복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 각각 구비하는 복수의 서브 배터리 모듈; 적어도 일 단에 개구를 가지며, 상기 개구와 연결된 내부 공간에 상기 복수의 서브 배터리 모듈을 수용하는 모듈 케이스; 상기 내부 공간으로 냉각액을 유입시키는 인렛 및 상기 내부 공간에 유입된 냉각액을 상기 모듈 케이스의 외부로 배출시키는 아웃렛 중 적어도 하나를 구비하며, 상기 개구를 기밀하게 커버하는 실링 커버; 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 대응하는 복수의 회로 기판으로서, 상기 내부 공간에 수용되어 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 관한 전기 신호들을 센싱하도록 구성된 복수의 회로 기판; 및 상기 실링 커버에 결합되고, 상기 복수의 회로 기판 각각에 의해 센싱된 전기 신호들을 상기 모듈 케이스의 외부로 전달하도록 구성된 방수 커넥터를 포함한다.

Description

침냉식 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 및 차량{Immersion cooling battery module, and battery pack and vehicle including same}
본 발명은 침냉식 배터리 모듈 및 이를 포함한 배터리 팩 및 차량에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 충·방전 가능한 배터리 셀들을 냉각액과 직접 접촉시켜 냉각시키는 침냉식 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등과 같이 반복적 충·방전이 가능한 배터리를 말한다. 가장 기본적인 이차전지에 해당하는 배터리 셀(battery cell)은, 대략 2.5V에서 4.2V 정도의 출력 전압을 제공할 수 있다.
최근, 이러한 이차전지가 전기 차량(electric vehicle)이나 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 높은 출력 전압과 대량의 충전 용량을 요구하는 장치나 시스템에 적용되면서, 다수의 배터리 셀을 제한된 공간에 조밀하게 배치하여 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 혼합한 방식으로 연결한 배터리 모듈(battery module)이나, 이러한 배터리 모듈들을 다시 조밀하게 배치하여 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬을 혼합한 방식으로 연결한 배터리 팩(battery pack)이 널리 이용되고 있다. 이와 같이 제한된 공간에 다수의 배터리 셀들이 조밀하게 배치되어 있는 배터리 모듈이나 배터리 팩이, 정상적으로 동작하기 위해서는, 배터리 셀들의 온도가 적절하게 유지되어야 한다.
그러나, 한국 공개특허공보 제10-2019-0053574호에 개시된 바와 같이, 기존 기술은 배터리 셀들의 하단 에지 부분에만 접촉하는 히트 싱크(heat sink)를 이용하여 배터리 셀들을 냉각시킨다. 따라서, 이러한 기존 기술은 배터리 셀 냉각 성능이 떨어지고, 배터리 셀에서 발생하는 열 폭주(thermal runaway)를 방지하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 이러한 기존 기술은 배터리 셀의 열 폭주시 발생하는 화재를 제어할 수 없기 때문에, 열 폭주가 발생한 배터리 셀 주변의 다른 배터리 셀이나 다른 배터리 모듈의 연쇄적인 열 폭주를 방지하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 한국 공개특허공보 제10-2021-0048855호에 개시된 바와 같이, 절연유를 이용하여 배터리 모듈에 내장된 배터리 셀들을 냉각시키는 기존 기술은, 전지셀 적층체(100)를 수용하는 케이스(200, 300)를 전지셀 적층체별로 제공하여, 각각의 케이스(200. 300)마다 독립된 배관들(500, 600, 700)을 통해 절연유를 공급하고 배출한다. 따라서, 이러한 기존 기술은 절연유 배관 설치를 위해 많은 공간을 요구하며, 그 결과 해당 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 제조 비용을 증가시킴은 물론, 배터리 팩의 전체 부피와 무게를 증가시켜 에너지 밀도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 배터리 모듈의 냉각 성능을 개선하여 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀의 열 폭주나 연쇄적 열 폭주를 방지하면서도, 배터리 모듈이 차지하는 부피와 무게의 증가를 최소화하여 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 침냉식 배터리 모듈과, 이를 포함하는 배터리 팩 및 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 침냉식 배터리 모듈은, 배터리 셀들을 냉각액과 직접 접촉시켜 냉각시키는 배터리 모듈로서, 복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 각각 구비하는 복수의 서브 배터리 모듈; 적어도 일 단에 개구를 가지며, 상기 개구와 연결된 내부 공간에 상기 복수의 서브 배터리 모듈을 수용하는 모듈 케이스; 상기 내부 공간으로 냉각액을 유입시키는 인렛 및 상기 내부 공간에 유입된 냉각액을 상기 모듈 케이스의 외부로 배출시키는 아웃렛 중 적어도 하나를 구비하며, 상기 개구를 기밀하게 커버하는 실링 커버; 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 대응하는 복수의 회로 기판으로서, 상기 내부 공간에 수용되어 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 관한 전기 신호들을 센싱하도록 구성된 복수의 회로 기판; 및 상기 실링 커버에 결합되고, 상기 복수의 회로 기판 각각에 의해 센싱된 전기 신호들을 상기 모듈 케이스의 외부로 전달하도록 구성된 방수 커넥터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 회로 기판은, 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 제1 서브 배터리 모듈에 관한 제1 전기 신호를 센싱하는 제1 회로 기판; 및 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 제2 서브 배터리 모듈에 관한 제2 전기 신호를 센싱하는 제2 회로 기판을 포함하고, 상기 제1 회로 기판은, 상기 제1 전기 신호와 상기 제2 회로 기판으로부터 전달되는 상기 제2 전기 신호를, 상기 방수 커넥터를 통해 외부로 전달하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 회로 기판과 상기 제2 회로 기판을 전기적으로 연결하여, 상기 제2 회로 기판에 의해 센싱된 상기 제2 전기 신호를 상기 제1 회로 기판에 전달하도록 구성된 FFC(Flat Flexible Cable)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 회로 기판 각각은, FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 실링 커버는, 상기 방수 커넥터의 적어도 일부분이 삽입되는 관통 홀을 더 구비하고, 상기 방수 커넥터는, 상기 내부 공간과 인접한 상기 실링 커버의 제1 면과 상기 제1 면의 반대면인 상기 실링 커버의 제2 면 중 상기 제2 면에 결합되어, 상기 제2 면에 형성된 상기 관통 홀의 제1 개구를 커버하는 커넥터 몸체; 상기 커넥터 몸체에 의해 지지되며 상기 모듈 케이스의 내부 공간과 멀어지는 방향으로 연장된 적어도 하나의 접촉 핀; 및 상기 적어도 하나의 접촉 핀과 전기적으로 연결되고, 상기 관통 홀을 통해 상기 커넥터 몸체에서 상기 내부 공간 측으로 연장되어, 상기 복수의 회로 기판 중 제1 회로 기판과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 연결 핀을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방수 커넥터는, 상기 커넥터 몸체와 상기 실링 커버의 제2 면 사이에 개재되어 상기 관통 홀의 제1 개구 둘레를 실링하는 실링 부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 실링 커버의 상기 제1 면에 결합되어, 상기 제1 면에 형성된 상기 관통 홀의 제2 개구를 커버하며, 상기 적어도 하나의 연결 핀과 전기적으로 연결되는 연결 회로 기판; 및 일 단이 상기 연결 회로 기판과 전기적으로 연결되고, 타 단이 상기 제1 회로 기판과 전기적으로 연결되는 케이블을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 절연 소재로 구성되고, 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 상호 인접하게 배치되는 제1 서브 배터리 모듈과 제2 서브 배터리 모듈 사이에 배치되어, 일 단부가 상기 제1 서브 배터리 모듈과 밀착되고, 타 단부가 상기 제2 서브 배터리 모듈과 밀착되는 절연 블록을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 블록은, 상기 모듈 케이스의 내부면에 밀착되는 상기 절연 블록의 테두리 부분에 마련되어, 상기 제1 서브 배터리 모듈 측에서 상기 제2 서브 배터리 모듈 측으로 상기 냉각액을 통과시키는 연통 홈을 구비할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연통 홈은, 상기 제1 서브 배터리 모듈 측에서 상기 제2 서브 배터리 모듈 측으로 연장되고, 상기 연통 홈을 통과하는 냉각액의 유속이 증가하도록 상기 제2 서브 배터리 모듈 측으로 갈수록 좁아지게 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 서브 배터리 모듈과 상기 제2 서브 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 연결 부재를 더 포함하고, 상기 절연 블록은, 상기 연결 부재의 적어도 일 부분이 삽입되어 지지되는 지지 홈을 구비할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각액은, 절연유(insulationg oil) 또는 유전성 액체(dielectric liquid)를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 배터리 팩은, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 차량은, 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 모듈 케이스 내부에 수용된 배터리 셀들이, 상기 모듈 케이스 내부에 유입된 냉각액과의 직접 접촉을 통해 냉각됨으로써, 서멀 패드(thermal pad)와 히트 싱크(heat sink) 등과 같은 배터리 셀 냉각 수단들을 생략할 수 있음은 물론, 배터리 셀 냉각 성능을 개선하고, 배터리 셀의 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 배터리 셀의 열 폭주로 인한 화재 발생 시, 모듈 케이스 내부에 유입되어 충전되어 있는 냉각액이 소화제로서의 기능을 수행함으로써, 열 폭주가 발생한 배터리 셀 주변의 다른 배터리 셀이나 다른 배터리 모듈의 연쇄적인 열 폭주를 방지할 수 있다.
또한, 복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 각각 구비하는 복수의 서브 배터리 모듈이, 하나의 모듈 케이스에 수용되어 하나의 배터리 모듈을 구성함으로써, 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 다수의 배터리 모듈을 포함한 배터리 팩에서, 배터리 모듈별로 마련되는 인렛과 아웃렛이 차지하는 공간과, 냉각액을 각각의 배터리 모듈에 공급하고 각각의 배터리 모듈로부터 회수하는데 요구되는 배관들이 차지하는 공간이 감소되어, 배터리 팩의 제조 비용을 절감할 수 있음은 물론, 배터리 팩의 전체 부피와 무게를 감소시키고, 배터리 팩의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 대응하는 복수의 회로 기판 중 하나의 회로 기판이, 자체적으로 센싱한 전기 신호와 나머지 회로 기판에 의해 센싱된 전기 신호를, 하나의 방수 커넥터를 통해 외부로 전달함으로써, 배터리 모듈과 외부 전기 장치 간의 전기적 연결을 용이하게 하고, 다수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 배선 구조를 간소화할 수 있으며, 배터리 모듈의 상태를 서브 배터리 모듈별로 모니터링 할 수 있다.
또한, 상기 방수 커넥터가 인렛 또는 아웃렛이 마련된 실링 커버에 결합되어, 인렛 또는 아웃렛과 배관을 연결하기 위해 확보된 공간에 배치됨으로써, 배터리 팩 내에서 상기 방수 커넥터의 전기적 연결 작업을 가능하게 하기 위해 별도의 공간을 확보할 필요가 없으며, 상기 방수 커넥터의 전기적 연결 작업을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 상호 인접하게 배치되는 제1 서브 배터리 모듈과 제2 서브 배터리 모듈 사이에 배치되는 절연 모듈이, 상기 제1 및 제2 서브 배터리 모듈과 각각 밀착되어, 상기 제1 및 제2 서브 배터리 모듈을 지지함으로써, 서브 배터리 모듈들의 전기적 안전성을 보장하면서도, 물리적 충격이나 진동 등에 의한 서브 배터리 모듈의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스의 내부면에 밀착되는 상기 절연 블록의 테두리 부분에 냉각액을 통과시키는 연통 홈이 마련됨으로써, 냉각액의 흐름을 원활하게 하고, 그 결과 배터리 모듈의 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 엔드 커버의 내측 테두리가 제1 실링 커버의 벽체부와 모듈 케이스의 개구 테두리 사이에 형성된 제1 삽입 홀에 삽입되고, 상기 모듈 케이스의 개구 테두리가 제1 엔드 커버의 내측 테두리와 외측 테두리 사이에 형성된 제2 삽입 홈에 삽입되어, 미앤더 형태의 실링 구조를 형성함으로써, 배터리 모듈의 내부로 유입된 냉각액의 누설 위험을 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈의 실링 구조에 적용된 실링 테이프, 액상 실런트 및 구조 접착제가, 냉각액의 누설을 3중으로 차단함으로써, 침냉식 배터리 모듈의 내구성과 안전성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 침냉식 배터리 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈의 모듈 케이스에 수용되는 배터리 조립체를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 조립체의 절연 블록을 나타낸 확대도이다.
도 5는 도 4의 A1 부분을 나타낸 수직 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈의 제1 실링 커버를 나타낸 사시도이다.
도 7은 모듈 케이스에 결합된 제1 실링 커버를 나타낸 수직 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈의 제1 엔드 커버를 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 제1 엔드 커버의 S-S´라인에 따른 수직 단면도이다.
도 10은 모듈 케이스에 결합된 제1 엔드 커버를 나타낸 수직 단면도이다.
도 11은 도 10의 A2 부분을 나타낸 확대도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대응하는 해결 방안을 명확히 하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우에는 그에 관한 설명은 생략될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로, 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
참고로, 첨부도면에 나타난 본 발명의 구성요소들은, 기술적 이해를 용이하게 하기 위해, 그 일 부분 또는 전체가 축소, 확대, 생략 또는 간소화된 것일 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈(10)이 사시도로 도시되어 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 침냉식 배터리 모듈(10)이 분해 사시도로 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(10)은, 모듈 케이스(100)의 내부 공간에 수용된 배터리 셀들을 냉각액(cooling liquid)과 직접 접촉시켜 냉각시키도록 구성된다. 이를 위해, 배터리 모듈(10)은 모듈 케이스(100), 배터리 조립체(200), 실링 커버(110, 110'), 방수 커넥터(120) 및 엔드 커버(130, 130')를 포함할 수 있다.
상기 모듈 케이스(100)는, 제1 방향(Y축 방향)으로 연장된 내부 공간과, 상기 내부 공간과 연통되는 개구를 구비할 수 있다. 이 경우, 모듈 케이스(100)는 제1 방향 양 단에 각각 개구를 구비하는 관 형태로 구성될 수 있다. 이러한 모듈 케이스(100)는 일정 강도를 가진 메탈 소재로 구성될 수 있다. 또한, 모듈 케이스(100)는 냉각액의 유출이 발생하지 않도록 압출 성형이나 판금 공정을 통해 일체로 구성될 수 있다.
상기 배터리 조립체(200)는, 복수의 배터리 셀을 포함하며 모듈 케이스(100)의 내부 공간에 수용될 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 이러한 배터리 조립체(200)는, 복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 각각 구비하는 복수의 서브 배터리 모듈과, 이러한 복수의 서브 배터리 모듈에 대응하는 복수의 회로 기판을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 회로 기판은, 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 관한 전기 신호들을 센싱하도록 구성될 수 있다.
상기 실링 커버(110, 110')는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간으로 냉각액을 유입시키는 인렛(inlet)(112), 및 상기 내부 공간에 유입된 냉각액을 모듈 케이스(100)의 외부로 배출시키는 아웃렛(outlet)(112') 중 적어도 하나를 구비하며, 모듈 케이스(100)의 개구를 커버하여 실링하도록 구성될 수 있다.
이러한 실링 커버(110, 110')는, 상기 인렛(112)을 구비하며 모듈 케이스(100)의 일단 개구를 커버하는 제1 실링 커버(110)와, 상기 아웃렛(112')을 구비하며 모듈 케이스(100)의 타단 개구를 커버하는 제2 실링 커버(110')를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 실링 커버(110)에는 배터리 모듈(10)의 출력을 제공하는 HV(High Voltage) 터미널들(114, 114')과, 방수 커넥터(120)가 배치될 수 있다.
상기 방수 커넥터(120)는, 제1 실링 커버(110)에 결합되어 지지되며, 상기 배터리 조립체(200)의 회로 기판들과 전기적으로 연결되어, 각각의 회로 기판에 의해 센싱된 전기 신호들을 모듈 케이스(100)의 외부로 전달하도록 구성될 수 있다.
상기 엔드 커버(130, 130')는, 모듈 케이스(100)의 개구에 결합된 실링 커버(110, 110')를 커버하도록 구성될 수 있다. 이러한 엔드 커버(130, 130')는, 모듈 케이스(100)의 일단 개구에 결합된 제1 실링 커버(110)를 커버하는 제1 엔드 커버(130)와, 모듈 케이스(100)의 타단 개구에 결합된 제2 실링 커버(110')를 커버하는 제2 엔드 커버(130')를 포함할 수 있다.
본 발명에 적용되는 냉각액(cooling liquid)은, 내전압(withstand voltage)이 높은 절연유(insulationg oil) 또는 유전성 액체(dielectric liquid)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 냉각액은 인산트리옥틸(TOP), 인산트리부틸(TOB), 인산트리페닐, 인산트리메틸, 인산트리프로필 중 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다.
변형된 일 실시예에 있어서, 배터리 조립체를 수용하는 모듈 케이스의 개구를 커버하여 실링하는, 변형된 실링 커버는, 인렛과 아웃렛을 모두 구비하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 모듈 케이스는 길이 방향 일단에만 변형된 실링 커버가 결합되는 개구가 마련되고, 해당 모듈 케이스의 길이 방향 타단은 폐쇄되도록 구성될 수 있다. 따라서, 이러한 변형된 일 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 제2 실링 커버(110')와 제2 엔드 커버(130')에 대응하는 구성들이 생략될 수 있다. 이 경우, 상기 변형된 실링 커버의 인렛을 통해 유입된 냉각액은, 모듈 케이스의 내부 공간을 순회하며 배터리 셀들을 냉각시킨 후, 변형된 실링 커버의 아웃렛을 통해 배출될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(10)의 모듈 케이스(100)에 수용된 배터리 셀들이, 모듈 케이스(100) 내부에 유입된 냉각액과의 직접 접촉을 통해 냉각됨으로써, 서멀 패드(thermal pad)와 히트 싱크(heat sink) 등과 같은 배터리 셀 냉각 수단들을 생략할 수 있으며, 배터리 셀 냉각 성능을 개선하고, 배터리 셀의 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 배터리 셀의 열 폭주로 인한 화재 발생 시, 모듈 케이스 내부에 유입되어 충전되어 있는 냉각액이 소화제로서의 기능을 수행함으로써, 열 폭주가 발생한 배터리 셀 주변의 다른 배터리 셀이나 다른 배터리 모듈의 연쇄적인 열 폭주를 방지할 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈의 모듈 케이스에 수용되는 배터리 조립체(200)가 분해 사시도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 조립체(200)는 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220), 절연 블록(230) 및 복수의 회로 기판(240, 250)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220)은, 각각 복수의 배터리 셀(212, 222)이 적층된 셀 적층체를 구비하며, 모듈 케이스(100)의 내부 공간에 수용되어 모듈 케이스(100)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 나란히 배치될 수 있다.
예컨대, 상기 배터리 조립체(200)는 제1 서브 배터리 모듈(210)과 제2 서브 배터리 모듈(220)을 포함할 수 있다.
이 경우, 제1 서브 배터리 모듈(210)은, 복수의 배터리 셀(212)이 모듈 케이스(100)의 폭 방향(X축 방향)으로 적층된 제1 셀 적층체, 제1 셀 적층체의 길이 방향(Y축 방향) 일단에 배치되는 제1 버스바 프레임(214), 및 제1 셀 적층체의 길이 방향 타단에 배치되는 제2 버스바 프레임(216)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 서브 배터리 모듈(220)은, 복수의 배터리 셀(222)이 모듈 케이스(100)의 폭 방향(X축 방향)으로 적층된 제2 셀 적층체, 제2 셀 적층체의 길이 방향(Y축 방향) 일단에 배치되는 제3 버스바 프레임(224), 및 제2 셀 적층체의 길이 방향 타단에 배치되는 제4 버스바 프레임(226)을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 버스바 프레임(214, 216, 224, 226)은, 배터리 셀의 전극 리드를 다른 배터리 셀의 전극 리드나 별도의 터미널과 전기적으로 연결하는 버스바(214a)를 지지하도록 구성될 수 있다.
또한, 각 서브 배터리 모듈(210, 220)의 셀 적층체를 구성하는 배터리 셀들은, 파우치 형태의 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질 물질을 수납한 파우치형 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
상기 절연 블록(230)은, 절연 소재로 구성되어, 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 상호 인접하게 배치되는 제1 서브 배터리 모듈(210)과 제2 서브 배터리 모듈(220) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 절연 블록(230)의 일 단부는 제1 서브 배터리 모듈(210)과 밀착되고, 상기 절연 블록(230)의 타 단부는 제2 서브 배터리 모듈(220)과 밀착될 수 있다.
이와 같이, 상기 절연 블록(230)이 상호 인접한 서브 배터리 모듈들(210, 220)과 밀착되어 해당 서브 배터리 모듈들(210, 220)을 지지함으로써, 서브 배터리 모듈들(210, 220)의 전기적 안전성을 보장하면서도, 물리적 충격이나 진동 등에 의한 서브 배터리 모듈들(210, 220)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 복수의 회로 기판(240, 250)은, 상기 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220)에 각각 대응하는 개수의 회로 기판들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 복수의 회로 기판(240, 250)은 모듈 케이스(100)의 내부 공간에 수용되어, 상기 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220)에 관한 전기 신호들을 센싱하도록 구성될 수 있다. 이러한 회로 기판들은 각각 대응하는 서브 배터리 모듈의 상단에 배치될 수 있다.
이러한 복수의 회로 기판(240, 250)은 각각 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)로 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 복수의 회로 기판(240, 250)은, 제1 서브 배터리 모듈(210)에 대응하는 제1 회로 기판(240)과, 제2 서브 배터리 모듈(220)에 대응하는 제2 회로 기판(250)을 포함할 수 있다.
상기 제1 회로 기판(240)은 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220) 중 제1 서브 배터리 모듈(210)에 관한 제1 전기 신호를 센싱하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 전기 신호는 제1 서브 배터리 모듈(210)에 포함된 배터리 셀들의 출력 전압, 출력 전류 또는 충전 상태 등을 나타내는 전기 신호를 포함할 수 있다.
상기 제2 회로 기판(250)은 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220) 중 제2 서브 배터리 모듈(220)에 관한 제2 전기 신호를 센싱하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 전기 신호는 제2 서브 배터리 모듈(220)에 포함된 배터리 셀들의 출력 전압, 출력 전류 또는 충전 상태 등을 나타내는 전기 신호를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 회로 기판(240)은, 제2 회로 기판(250)으로부터 제2 전기 신호를 전달받고, 자체적으로 센싱된 제1 전기 신호와 상기 제2 회로 기판(250)으로부터 전달된 제2 전기 신호를 취합하여, 방수 커넥터(120)를 통해 외부로 전달하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 배터리 조립체(200)는 FFC(Flat Flexible Cable)(260)를 더 포함할 수 있다. FFC(260)는 제1 회로 기판(240)과 제2 회로 기판(250)을 전기적으로 연결하여, 제2 회로 기판(250)에 의해 센싱된 제2 전기 신호를 제1 회로 기판(240)에 전달하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 배터리 모듈의 길이는 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 길이에 대응한다. 그러나, 본 발명에 따른 침냉식 배터리 모듈(10)은 그 길이 방향(Y축 방향)으로 나란히 배치되는 복수의 서브 배터리 모듈(210, 220)을 포함하기 때문에, 본 발명과 동일한 사이즈의 배터리 셀을 포함하는 일반적인 배터리 모듈보다 2배 이상의 길이를 가지게 된다. 예컨대, 일반적인 배터리 모듈이 500mm ~ 610mm 정도의 길이로 제작된다면, 본 발명에 따른 침냉식 배터리 모듈(10)은 1000mm 이상의 길이로 제작될 수 있다.
도 4에는 도 3에 도시된 배터리 조립체의 절연 블록(230)이 확대도로 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 절연 블록(230)은 상호 인접하게 배치되는 제1 서브 배터리 모듈(210)과 제2 서브 배터리 모듈(220) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 절연 블록(230)의 일 단부는 제1 서브 배터리 모듈(210)과 밀착되고, 절연 블록(230)의 타 단부는 제2 서브 배터리 모듈(220)과 밀착될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 절연 블록(230)은 그 테두리가 모듈 케이스(100)의 내부면에 밀착되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 절연 블록(230)은 연통 홈(232)을 구비할 수 있다.
상기 연통 홈(232)은, 모듈 케이스(100)의 내부면에 밀착되는 절연 블록(230)의 테두리 부분에 마련되어, 냉각액을 제1 서브 배터리 모듈(210) 측에서 제2 서브 배터리 모듈(220) 측으로 통과시키도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 연통 홈(232)은 제1 서브 배터리 모듈(210) 측에서 제2 서브 배터리 모듈(220) 측으로 연장된 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 연통 홈(232)은, 제1 서브 배터리 모듈(210) 측에서 제2 서브 배터리 모듈(220) 측으로 갈수록 좁아지게 구성되어, 연통 홈(232)을 통과하는 냉각액의 유속을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 모듈 케이스(100)에 유입된 냉각액이 제1 서브 배터리 모듈(210) 측에서 제2 서브 배터리 모듈(220) 측으로 이동하는 동안, 냉각액의 유속 저하가 발생하여 냉각 성능이 떨어지는 현상을 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 조립체(200)는 제1 서브 배터리 모듈(210)과 제2 서브 배터리 모듈(220)을 전기적으로 연결하는 연결 부재(218)를 더 포함할 수 있다. 이러한 연결 부재(218)는 메탈과 같은 도전성 소재로 구성될 수 있다.
이 경우, 절연 블록(230)은, 상기 연결 부재(218)의 적어도 일 부분이 삽입되어 지지되는 지지 홈(234)을 구비할 수 있다.
도 5에는 도 4의 A1 부분이 수직 단면도로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 절연 블록(230)의 일 단부는 제1 서브 배터리 모듈의 제2 버스바 프레임(216)과 밀착되고, 절연 블록(230)의 타 단부는 제2 서브 배터리 모듈의 제4 버스바 프레임(226)과 밀착될 수 있다.
상기 제2 버스바 프레임(216)은 제1 서브 배터리 모듈의 배터리 셀(212)과 전기적으로 연결되는 버스바 또는 터미널을 지지하도록 구성될 수 있다. 상기 제4 버스바 프레임(226)은 제2 서브 배터리 모듈의 배터리 셀(222)과 전기적으로 연결되는 버스바 또는 터미널을 지지하도록 구성될 수 있다.
상기 연결 부재(218)는, 그 일 단부가 상기 제2 버스바 프레임(216)에 배치된 버스바 또는 터미널과 연결되고, 그 타 단부가 절연 블록(230)의 지지 홈(234)을 따라 연장되어 상기 제4 버스바 프레임(226)에 배치된 버스바 또는 터미널과 연결되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 절연 블록(230)과 밀착되는 상기 제2 버스바 프레임(216)은, 절연 블록(230)에 마련된 제1 결합 홈(236a)에 삽입되어 결합되는 제1 결합 돌기(216a)를 구비할 수 있다. 이 경우, 제1 결합 돌기(216a)는 절연 블록(230)을 향하는 제1 방향(예컨대, Y축 방향)으로 연장되다가, 상기 제1 방향과 교차되는 제2 방향(예컨대, Z축 방향)으로 절곡된 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 결합 홈(236a)은 이러한 제1 결합 돌기(216a)와 형합하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 절연 블록(230)과 밀착되는 상기 제4 버스바 프레임(226)은, 절연 블록(230)에 마련된 제2 결합 홈(236b)에 삽입되어 결합되는 제2 결합 돌기(226a)를 구비할 수 있다. 이 경우, 제2 결합 돌기(226a)는 절연 블록(230)을 향하는 제3 방향으로 연장되다가, 상기 제3 방향과 교차되는 제4 방향(예컨대, Z축 방향)으로 절곡된 형태를 가질 수 있다. 상기 제2 결합 홈(236b)은 제2 결합 돌기(226a)와 형합하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서, 상기 모듈 케이스(100)는, 그 내부 공간을 이루는 내부면에서 돌출되어 절연 블록(230)을 지지함으로써, 절연 블록(230)의 이동을 제한하는 스토퍼(102)를 포함할 수 있다. 이 경우, 스토퍼(102)는 절연 블록(230)의 양단에 밀착되어, 절연 블록(230)이 정위치에서 이탈하여 제1 서브 배터리 모듈(210) 측이나 제2 서브 배터리 모듈(220) 측으로 치우치지 않도록, 절연 블록(230)의 이동을 제한할 수 있다.
이와 같이, 절연 블록(230)이 서브 배터리 모듈들과 밀착되어 서브 배터리 모듈들을 지지하고, 스토퍼(102)가 절연 블록(230)의 이동을 제한함으로써, 서브 배터리 모듈들의 전기적 안전성을 보장하면서도, 물리적 충격이나 진동 등에 의한 서브 배터리 모듈의 손상을 방지할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈의 제1 실링 커버(110)가 사시도로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 실링 커버(110)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간으로 냉각액을 유입시키는 인렛(112)을 구비하며, 모듈 케이스(100)의 개구에 삽입되어 상기 개구를 기밀하게 커버하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 실링 커버(110)는 커버부(110a), 고정부(110b) 및 벽체부(110c)를 포함할 수 있다.
상기 커버부(110a)는, 그 테두리가 모듈 케이스(100)의 개구와 형합하는 형태를 가지며 상기 개구에 삽입되도록 구성될 수 있다.
상기 고정부(110b)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간과 인접한 상기 커버부(110a)의 제1 면에서 상기 내부 공간 측으로 돌출되고, 그 테두리가 모듈 케이스(100)의 내부면에 부착되어 고정되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 모듈 케이스(100)의 내부면과 대면하는 상기 고정부(110b)의 테두리면에는, 양면 접착이 가능한 실링 테이프(sealing tape)가 부착될 수 있다.
상기 벽체부(110c)는, 상기 제1 면의 반대면인 상기 커버부(110a)의 제2 면에서 돌출되어, 상기 개구의 둘레를 이루는 상기 모듈 케이스(100)의 내부면과 소정 간격을 두고 대면하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 벽체부(110c)는 커버부(110a)의 테두리를 따라 일주하는 루프(loop) 형태로 구성될 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 제1 실링 커버(110)의 벽체부(110c)는, 상기 커버부(110a)의 테두리 부분 및 상기 개구의 둘레를 이루는 모듈 케이스(100)의 내부면과 함께, 후술되는 엔드 커버(130)의 내측 테두리가 삽입되는 제1 삽입 홈을 형성할 수 있다.
한편, 상기 제1 실링 커버(110)의 제2 면에는, 배터리 모듈(10)의 출력을 제공하는 HV(High Voltage) 터미널들(114, 114')과, 방수 커넥터(120)가 배치될 수 있다. 이 경우, 방수 커넥터(120)는 볼트와 같은 체결 부재(120a)에 의해 제1 실링 커버(110)에 고정될 수 있다.
도 7에는 모듈 케이스(100)에 결합된 제1 실링 커버(110)가 수직 단면도로 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 실링 커버(110)는 모듈 케이스(100)의 내부 공간으로 냉각액을 유입시키는 인렛(112)을 구비하며, 모듈 케이스(100)의 일단 개구에 삽입되어 상기 개구를 기밀하게 커버할 수 있다.
이를 위해, 상기 제1 실링 커버(110)의 커버부(110a)는, 그 테두리가 모듈 케이스(100)의 개구와 형합하는 형태를 가지도록 구성될 수 있다.
상기 제1 실링 커버(110)의 고정부(110b)는, 상기 커버부(110a)의 제1 면에서 모듈 케이스(100)의 내부 공간 측으로 돌출되고, 그 테두리가 모듈 케이스(100)의 내부면에 부착되어 고정된다.
이를 위해, 모듈 케이스(100)의 내부면과 대면하는 상기 고정부(110b)의 테두리면에는, 양면 접착이 가능한 실링 테이프(118a)가 부착될 수 있다. 이 경우, 실링 테이프(118a)는, 방수성 소재로 이루어진 기재층의 양면에 각각 점착층을 구비한 다층 구조로 구성될 수 있다.
예컨대. 실링 테이프(118a)의 기재층은 폴리이미드(polyimide), 폴리프로필렌(polyprophylene), 폴리에틸렌(polyethylene) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 중 1 또는 2 이상으로 구성된 1 또는 2 이상의 물질층을 포함할 수 있다. 또한, 실링 테이프(118a)의 점착층은, PMMA(poly methyl methacrylate), PEMA(poly ethyl methacrylate) 및 PBMA(poly butyl methacrylate) 중 1 또는 2 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 실링 테이프(118a)는 상기 점착층을 커버하는 이형지(release paper)를 더 포함할 수 있다. 이러한 이형지는 실링 테이프(118a)의 부착 직전에 작업자에 의해 제거될 수 있다.
상기 벽체부(110c)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간과 인접한 상기 제1 면의 반대면인 상기 커버부(110a)의 제2 면에서, 모듈 케이스(100)의 내부 공간과 멀어지는 방향으로 돌출되어, 상기 개구의 둘레를 이루는 모듈 케이스(100)의 내부면과 소정 간격을 두고 대면하도록 구성될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 벽체부(110c)는 커버부(110a)의 테두리를 따라 일주하는 루프(loop) 형태로 구성될 수 있다.
이러한 제1 실링 커버(110)의 벽체부(110c)는, 상기 커버부(110a)의 테두리 부분 및 상기 개구의 둘레를 이루는 모듈 케이스(100)의 내부면과 함께, 제1 삽입 홈(G1)을 형성할 수 있다. 또한, 제1 삽입 홈(G1)의 내부면에는 실링 글루(sealing glue)와 같은 액상 실런트(118b)가 도포될 수 있다.
또한, 상기 개구가 위치하는 상기 모듈 케이스(100)의 일단부 외부면에는, 높은 전단강도(shear strength)를 지닌 구조 접착제(structural adhesive)(104)가 도포될 수 있다. 이러한 구조 접착제(104)는, 폴리머 알로이 접착제(polymer alloy adhesive)나 폴리이미드 접착제(polyimid adhesive)를 포함할 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 구조 접착제(104)가 도포된 모듈 케이스(100)의 외부면에는, 후술되는 제1 엔드 커버(130)의 외측 테두리가 부착되어 고정될 수 있다.
한편, 상기 제1 실링 커버(110)는, 방수 커넥터(120)의 적어도 일부분이 삽입되는 관통 홀(116)을 구비할 수 있다.
또한, 방수 커넥터(120)는 커넥터 몸체(122), 접촉 핀(124) 및 연결 핀(126)을 포함할 수 있다.
상기 커넥터 몸체(122)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간과 인접한 제1 실링 커버의 제1 면과 상기 제1 면의 반대면인 제1 실링 커버(110)의 제2 면 중, 제2 면에 결합되어, 상기 제2 면에 형성된 상기 관통 홀(116)의 제1 개구를 커버하도록 구성될 수 있다. 이러한 방수 커넥터(120)의 커넥터 몸체(122)는, 절연성을 가진 고분자 합성수지로 구성될 수 있으며, 볼트와 같은 체결 부재에 의해 제1 실링 커버(110)에 고정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 방수 커넥터(120)는, 커넥터 몸체(122)와 제1 실링 커버(110)의 제2 면 사이에 개재되어 상기 관통 홀(116)의 제1 개구 둘레를 실링하는 실링 부재(122a)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 실링 부재(122a)는 실런트(sealant) 또는 개스킷(gasket)을 포함하거나, 양자를 모두 포함할 수 있다.
상기 접촉 핀(124)은, 커넥터 몸체(122)에 의해 지지되며 모듈 케이스(100)의 내부 공간과 멀어지는 방향으로 연장되도록 구성될 수 있다. 또한, 접촉 핀(124)은 상기 방수 커넥터(120)에 연결되는 대응 커넥터(미도시)의 대응 접촉 핀과 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 접촉 핀(124)은 도전성을 가진 금속 소재로 구성될 수 있다. 상기 방수 커넥터(120)는 이러한 접촉 핀(124)을 1 또는 2 이상 포함할 수 있다.
상기 연결 핀(126)은, 접촉 핀(124)과 전기적으로 연결되고, 상기 관통 홀(116)을 통해 커넥터 몸체(122)에서 모듈 케이스(100)의 내부 공간 측으로 연장되어, 모듈 케이스(100)에 수용된 복수의 회로 기판(240, 250) 중 제1 회로 기판(240)과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 연결 핀(126)은 도전성을 가진 금속 소재로 구성될 수 있다. 상기 방수 커넥터(120)는 이러한 연결 핀(126)을 1 또는 2 이상 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 접촉 핀(124)과 상기 연결 핀(126)은, 일체로 구성될 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상기 커넥터 몸체(122)는, 인서트 몰딩(insert molding) 공정을 통해 상기 접촉 핀(124) 및 상기 연결 핀(126)과 일체로 구성될 수 있다.
한편, 상기 배터리 모듈(10)은, 상기 방수 커넥터(120)와 제1 회로 기판(240) 간의 전기적 연결을 위해, 연결 회로 기판(128) 및 케이블(128a)을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 연결 회로 기판(128)은, 모듈 케이스(100)의 내부 공간과 인접한 상기 제1 실링 커버(110)의 제1 면에 결합되어, 제1 면에 형성된 상기 관통 홀(116)의 제2 개구를 커버하며, 상기 연결 핀(126)과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 연결 회로 기판(128)은 연결 핀(126)이 삽입되는 비아 홀(via hall)을 구비할 수 있다. 이러한 비아 홀에 삽입된 연결 핀(126)은 다시 솔더링(soldering) 공정을 통해 상기 연결 회로 기판(128)에 고정될 수 있다.
상기 케이블(128a)은, 일 단이 연결 회로 기판(128)과 전기적으로 연결되고, 타 단이 제1 회로 기판(240)과 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 케이블(128a)은 FFC(Flat Flexible Cable)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 케이블(128a)과 연결된 제1 회로 기판(240)은, 배터리 셀(212)의 전극 리드와 연결된 버스바(214a)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 버스바(214a)는 제1 버스바 프레임(214)에 결합되어 고정될 수 있다.
참고로, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 모듈 케이스(100)의 타단 개구를 커버하는 제2 실링 커버(110')는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간에 유입된 냉각액을 배출시키는 아웃렛(112')을 구비하며, 상기 타단 개구에 삽입되어 상기 타단 개구를 기밀하게 커버할 수 있다. 이를 위해, 상기 제2 실링 커버(110')는 상기 제1 실링 커버(110)의 커버부(110a), 고정부(110b) 및 벽체부(110c)에 각각 대응하는 구성들을 포함할 수 있다. 다만, 상기 제2 실링 커버(110')에는 HV 터미널들(114, 114')이나 방수 커넥터(120)에 대응하는 구성들이 배치되지 않는다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 침냉식 배터리 모듈의 제1 엔드 커버(130)가 사시도로 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 엔드 커버(130)는, 모듈 케이스(100)의 일단 개구에 결합된 제1 실링 커버(110)를 커버하도록 구성될 수 있다. 이러한 제1 엔드 커버(130)는 제1 실링 커버(110)의 인렛(112)이 통과하는 인렛 홀(132)과, 방수 커넥터(120)의 적어도 일부가 삽입되어 외부에 노출되는 커넥터 홀(138)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제1 엔드 커버(130)는, 제1 실링 커버(110)에 배치된 HV 터미널들(114, 114')이 통과하는 터미널 홀들(134, 134')과, 이러한 터미널 홀들(134, 134')을 통과하여 외부로 연장된 HV 터미널들(114, 114')의 단부들을 지지하는 지지부들(136, 136')을 더 구비할 수 있다.
도 9에는 도 8에 도시된 제1 엔드 커버(130)의 S-S´라인에 따른 수직 단면도가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1 엔드 커버(130)는 제1 실링 커버(110)가 결합된 모듈 케이스(100)의 일단을 커버하는 캡(cap) 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 엔드 커버(130)는, 내측 테두리(130a)와 외측 테두리(130b)를 포함할 수 있다.
상기 내측 테두리(130a)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간 측으로 연장되어, 제1 실링 커버(110)의 벽체부(110c), 상기 커버부(110a)의 테두리 부분 및 모듈 케이스(100)의 내부면에 의해 형성된 제1 삽입 홈(G1)에 삽입되도록 구성될 수 있다.
상기 외측 테두리(130b)는, 모듈 케이스(100)의 외부면 측으로 연장되어 구조 접착제(104)가 도포된 외부면 부분에 접착되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 내측 테두리(130a)와 상기 외측 테두리(130b)는 소정 간격을 두고 상호 이격되어, 모듈 케이스(100)의 개구 테두리가 삽입되는 제2 삽입 홈(G2)을 형성할 수 있다.
도 10에는 모듈 케이스(100)에 결합된 제1 엔드 커버(130)가 수직 단면도로 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간 측으로 연장되어, 제1 실링 커버(110)의 벽체부(110c)와 모듈 케이스(100)의 개구 테두리 사이에 형성된 제1 삽입 홀에 삽입될 수 있다.
또한, 제1 엔드 커버(130)의 외측 테두리(130b)는, 모듈 케이스(100)의 외부면 측으로 연장되어, 구조 접착제(104)가 도포된 외부면 부분에 접착될 수 있다.
또한, 모듈 케이스(100)의 개구 테두리는, 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)와 외측 테두리(130b) 사이에 형성된 제2 삽입 홈(G2)에 삽입될 수 있다.
한편, 방수 커넥터(120)의 말단부는, 제1 엔드 커버(130)의 커넥터 홀(138)에 삽입되어 지지될 수 있다.
도 11에는 도 10의 A2 부분이 확대도로 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)는, 모듈 케이스(100)의 내부 공간 측으로 연장되어, 제1 실링 커버(110)의 벽체부(110c)와 모듈 케이스(100)의 개구 테두리(100a) 사이에 형성된 제1 삽입 홀(G1)에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 삽입 홀(G1)에 삽입된 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)와 상기 제1 삽입 홀(G1)의 내부면 사이에는, 액상 실런트(118b)가 개재될 수 있다.
또한, 제1 엔드 커버(130)의 외측 테두리(130b)는, 모듈 케이스(100)의 외부면 측으로 연장되어, 구조 접착제(104)가 도포된 개구 테두리(100a)의 외부면에 접착될 수 있다.
한편, 모듈 케이스(100)의 개구 테두리(100a)는, 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)와 외측 테두리(130b) 사이에 형성된 제2 삽입 홈에 삽입될 수 있다.
이와 같이, 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)가 제1 실링 커버(110)의 벽체부(110c)와 모듈 케이스(100)의 개구 테두리(100a) 사이에 형성된 제1 삽입 홀(G1)에 삽입되고, 모듈 케이스(100)의 개구 테두리(100a)가 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)와 외측 테두리(130b) 사이에 형성된 제2 삽입 홈(G2)에 삽입되어, 미앤더 형태의 실링 구조를 형성함으로써, 배터리 모듈(10)의 내부로 유입된 냉각액의 누설 위험을 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈(10)의 실링 구조에 적용되는 실링 테이프(118a), 액상 실런트(118b) 및 구조 접착제(104)가, 냉각액의 누설을 3중으로 차단함으로써, 침냉식 배터리 모듈(10)의 내구성과 안전성을 향상시킬 수 있다.
참고로, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 제2 실링 커버(110')와 함께 모듈 케이스(100)의 타단 개구를 커버하는 제2 엔드 커버(130')는, 제2 실링 커버(110')의 아웃렛(112')이 통과하는 아웃렛 홀을 구비하며, 상기 제2 실링 커버(110')가 결합된 상기 타단 개구를 커버할 수 있다. 이를 위해, 제2 엔드 커버(130')는 상기 제1 엔드 커버(130)의 내측 테두리(130a)와 외측 테두리(130b)에 대응하는 구성들을 포함할 수 있다. 반면, 상기 제2 엔드 커버(130')는 상기 제1 엔드 커버(130)의 터미널 홀(134, 134')이나 커넥터 홀(138)에 대응하는 구성들을 포함하지 않는다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(20)이 도시되어 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(20)은, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)과, 이러한 배터리 모듈(10)을 1개 또는 2개 이상 수용하는 팩 케이스(22, 24)를 포함할 수 있다. 상기 팩 케이스(22, 24)는 복수의 배터리 모듈을 수용하여 안착시키는 복수의 안착 공간을 구비할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(20)은 상기 배터리 모듈(10)에 냉각액을 공급하는 공급관(26)과, 상기 배터리 모듈(10)에서 배출되는 냉각액을 회수하는 회수관(28)을 더 포함할 수 있다. 도 12에 도시되지 않았으나, 상기 배터리 팩(20)은 냉각액을 저장하는 냉각액 탱크, 냉각액 탱크에 저장된 냉각액을 공급관(26)과 회수관(28) 통해 순환시키는 펌프, 회수관(28)을 통해 회수된 냉각액의 열을 제거하는 칠러(chiller) 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩(20)은, 팩 케이스(22, 24)에 수용된 배터리 모듈(10)의 충·방전 동작을 제어하거나, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 등을 모니터링하는 각종 전장 부품들(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전장 부품들은 배터리 모듈(10)과 함께 팩 케이스(22, 24)에 수용될 수 있다.
도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(2)이 도시되어 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(2)은, 앞서 설명된 다양한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 배터리 모듈(10)을 1개 또는 2개 이상 포함하거나, 이러한 배터리 모듈(10)을 포함한 적어도 하나의 배터리 팩(20)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 차량(2)에 적용된 배터리 모듈(10) 또는 배터리 팩(20)은 자동차(2)의 여러 동작에 필요한 전기 에너지를 제공할 수 있다.
참고로, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 자동차 이외에 ESS(Energy Storage System)나 다양한 전기 장치에 적용될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈의 모듈 케이스 내부에 수용된 배터리 셀들이, 상기 모듈 케이스 내부에 유입된 냉각액과의 직접 접촉을 통해 냉각됨으로써, 서멀 패드(thermal pad)와 히트 싱크(heat sink) 등과 같은 배터리 셀 냉각 수단들을 생략할 수 있음은 물론, 배터리 셀 냉각 성능을 개선하고, 배터리 셀의 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 배터리 셀의 열 폭주로 인한 화재 발생 시, 모듈 케이스 내부에 유입되어 충전되어 있는 냉각액이 소화제로서의 기능을 수행함으로써, 열 폭주가 발생한 배터리 셀 주변의 다른 배터리 셀이나 다른 배터리 모듈의 연쇄적인 열 폭주를 방지할 수 있다.
또한, 복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 각각 구비하는 복수의 서브 배터리 모듈이, 하나의 모듈 케이스에 수용되어 하나의 배터리 모듈을 구성함으로써, 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 개수를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 다수의 배터리 모듈을 포함한 배터리 팩에서, 배터리 모듈별로 마련되는 인렛과 아웃렛이 차지하는 공간과, 냉각액을 각각의 배터리 모듈에 공급하고 각각의 배터리 모듈로부터 회수하는데 요구되는 배관들이 차지하는 공간이 감소되어, 배터리 팩의 제조 비용을 절감할 수 있음은 물론, 배터리 팩의 전체 부피와 무게를 감소시키고, 배터리 팩의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 대응하는 복수의 회로 기판 중 하나의 회로 기판이, 자체적으로 센싱한 전기 신호와 나머지 회로 기판에 의해 센싱된 전기 신호를, 하나의 방수 커넥터를 통해 외부로 전달함으로써, 배터리 모듈과 외부 전기 장치 간의 전기적 연결을 용이하게 하고, 다수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 배선 구조를 간소화할 수 있으며, 배터리 모듈의 상태를 서브 배터리 모듈별로 모니터링 할 수 있다.
또한, 상기 방수 커넥터가 인렛 또는 아웃렛이 마련된 실링 커버에 결합되어, 인렛 또는 아웃렛과 배관을 연결하기 위해 확보된 공간에 배치됨으로써, 배터리 팩 내에서 상기 방수 커넥터의 전기적 연결 작업을 가능하게 하기 위해 별도의 공간을 확보할 필요가 없으며, 상기 방수 커넥터의 전기적 연결 작업을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 상호 인접하게 배치되는 제1 서브 배터리 모듈과 제2 서브 배터리 모듈 사이에 배치되는 절연 모듈이, 상기 제1 및 제2 서브 배터리 모듈과 각각 밀착되어, 상기 제1 및 제2 서브 배터리 모듈을 지지함으로써, 서브 배터리 모듈들의 전기적 안전성을 보장하면서도, 물리적 충격이나 진동 등에 의한 서브 배터리 모듈의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스의 내부면에 밀착되는 상기 절연 블록의 테두리 부분에 냉각액을 통과시키는 연통 홈이 마련됨으로써, 냉각액의 흐름을 원활하게 하고, 그 결과 배터리 모듈의 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 엔드 커버의 내측 테두리가 제1 실링 커버의 벽체부와 모듈 케이스의 개구 테두리 사이에 형성된 제1 삽입 홀에 삽입되고, 상기 모듈 케이스의 개구 테두리가 제1 엔드 커버의 내측 테두리와 외측 테두리 사이에 형성된 제2 삽입 홈에 삽입되어, 미앤더 형태의 실링 구조를 형성함으로써, 배터리 모듈의 내부로 유입된 냉각액의 누설 위험을 최소화할 수 있다.
또한, 배터리 모듈의 실링 구조에 적용된 실링 테이프, 액상 실런트 및 구조 접착제가, 냉각액의 누설을 3중으로 차단함으로써, 침냉식 배터리 모듈의 내구성과 안전성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 해당 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 배터리 모듈 20: 배터리 팩
100: 모듈 케이스 110: 제1 실링 커버
110': 제2 실링 커버 120: 방수 커넥터
130: 제1 엔드 커버 140: 제2 엔드 커버
200: 배터리 조립체 210: 제1 서브 배터리 모듈
212: 배터리 셀 214: 제1 버스바 프레임
216: 제2 버스바 프레임 220: 제2 서브 배터리 모듈
222: 배터리 셀 224: 제3 버스바 프레임
226: 제4 버스바 프레임 230: 절연 블록
240: 제1 회로 기판 250: 제2 회로 기판
260: FFC

Claims (14)

  1. 배터리 셀들을 냉각액과 직접 접촉시켜 냉각시키는 침냉식 배터리 모듈로서,
    복수의 배터리 셀이 적층된 셀 적층체를 각각 구비하는 복수의 서브 배터리 모듈;
    적어도 일 단에 개구를 가지며, 상기 개구와 연결된 내부 공간에 상기 복수의 서브 배터리 모듈을 수용하는 모듈 케이스;
    상기 내부 공간으로 냉각액을 유입시키는 인렛 및 상기 내부 공간에 유입된 냉각액을 상기 모듈 케이스의 외부로 배출시키는 아웃렛 중 적어도 하나를 구비하며, 상기 개구를 기밀하게 커버하는 실링 커버;
    상기 복수의 서브 배터리 모듈에 대응하는 복수의 회로 기판으로서, 상기 내부 공간에 수용되어 상기 복수의 서브 배터리 모듈에 관한 전기 신호들을 센싱하도록 구성된 복수의 회로 기판; 및
    상기 실링 커버에 결합되고, 상기 복수의 회로 기판 각각에 의해 센싱된 전기 신호들을 상기 모듈 케이스의 외부로 전달하도록 구성된 방수 커넥터를 포함하는 침냉식 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회로 기판은,
    상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 제1 서브 배터리 모듈에 관한 제1 전기 신호를 센싱하는 제1 회로 기판; 및
    상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 제2 서브 배터리 모듈에 관한 제2 전기 신호를 센싱하는 제2 회로 기판을 포함하고,
    상기 제1 회로 기판은,
    상기 제1 전기 신호와 상기 제2 회로 기판으로부터 전달되는 상기 제2 전기 신호를, 상기 방수 커넥터를 통해 외부로 전달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 회로 기판과 상기 제2 회로 기판을 전기적으로 연결하여, 상기 제2 회로 기판에 의해 센싱된 상기 제2 전기 신호를 상기 제1 회로 기판에 전달하도록 구성된 FFC(Flat Flexible Cable)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회로 기판 각각은,
    FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실링 커버는,
    상기 방수 커넥터의 적어도 일부분이 삽입되는 관통 홀을 더 구비하고,
    상기 방수 커넥터는,
    상기 내부 공간과 인접한 상기 실링 커버의 제1 면과 상기 제1 면의 반대면인 상기 실링 커버의 제2 면 중 상기 제2 면에 결합되어, 상기 제2 면에 형성된 상기 관통 홀의 제1 개구를 커버하는 커넥터 몸체;
    상기 커넥터 몸체에 의해 지지되며 상기 모듈 케이스의 내부 공간과 멀어지는 방향으로 연장된 적어도 하나의 접촉 핀; 및
    상기 적어도 하나의 접촉 핀과 전기적으로 연결되고, 상기 관통 홀을 통해 상기 커넥터 몸체에서 상기 내부 공간 측으로 연장되어, 상기 복수의 회로 기판 중 제1 회로 기판과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 연결 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방수 커넥터는,
    상기 커넥터 몸체와 상기 실링 커버의 제2 면 사이에 개재되어 상기 관통 홀의 제1 개구 둘레를 실링하는 실링 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 실링 커버의 상기 제1 면에 결합되어, 상기 제1 면에 형성된 상기 관통 홀의 제2 개구를 커버하며, 상기 적어도 하나의 연결 핀과 전기적으로 연결되는 연결 회로 기판; 및
    일 단이 상기 연결 회로 기판과 전기적으로 연결되고, 타 단이 상기 제1 회로 기판과 전기적으로 연결되는 케이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    절연 소재로 구성되고, 상기 복수의 서브 배터리 모듈 중 상호 인접하게 배치되는 제1 서브 배터리 모듈과 제2 서브 배터리 모듈 사이에 배치되는 절연 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연 블록은,
    상기 모듈 케이스의 내부면에 밀착되는 상기 절연 블록의 테두리 부분에 마련되어, 상기 제1 서브 배터리 모듈 측에서 상기 제2 서브 배터리 모듈 측으로 상기 냉각액을 통과시키는 연통 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연통 홈은,
    상기 제1 서브 배터리 모듈 측에서 상기 제2 서브 배터리 모듈 측으로 연장되고, 상기 연통 홈을 통과하는 냉각액의 유속이 증가하도록 상기 제2 서브 배터리 모듈 측으로 갈수록 좁아지게 구성된 것을 특징으로 침냉식 배터리 모듈.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 서브 배터리 모듈과 상기 제2 서브 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 연결 부재를 더 포함하고,
    상기 절연 블록은,
    상기 연결 부재의 적어도 일 부분이 삽입되어 지지되는 지지 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 냉각액은,
    절연유(insulationg oil) 또는 유전성 액체(dielectric liquid)를 포함하는 것을 특징으로 하는 침냉식 배터리 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 침냉식 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 침냉식 배터리 모듈을 포함하는 차량.
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