KR20240084709A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 일 방향을 따라 적층된 복수의 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들의 적층 방향의 최외곽에 배치되는 엔드 플레이트; 및 상기 복수의 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 냉각 유로를 포함하며, 상기 복수의 배터리 셀들의 상부 및 하부에 각각 배치되는 상부 냉각판 및 하부 냉각판;을 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 상부 냉각판과 상기 하부 냉각판 사이에서 상기 냉각수가 이동하도록 상기 상부 냉각판과 상기 하부 냉각판을 연결하는 유로 연결부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module and Battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 화학 에너지와 전기 에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지를 의미한다.
이러한 이차전지는 모바일 기기를 포함하여, 최근 주목받고 있는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 등의 에너지원으로 활용될 수 있다.
이차전지는 유연성을 지닌 파우치형 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형의 캔형 배터리 셀로 제조된 하나 이상의 배터리 셀들이 전기적으로 연결된 형태로 사용될 수 있으며, 특히, 고출력 특성이 요구되는 전기 자동차 등의 경우에는 다수 개의 배터리 셀들이 적층된 형태의 하나 이상의 셀 적층체가 전기적으로 연결된 배터리 모듈 또는 하나 이상의 배터리 모듈이 전기적으로 연결된 배터리 팩의 형태로 사용될 수 있다.
한편, 이차전지의 성능은 온도에 크게 영향을 받을 수 있다. 특히, 이차전지의 온도가 적정 온도보다 높아지게 되면 이차전지의 성능이 저하됨은 물론 심한 경우 폭발 및 발화의 위험이 존재하며, 이러한 위험성은 하나 이상의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈이나 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 증대될 수 있다. 이에 배터리 모듈 또는 배터리 팩에는 반드시 배터리 셀들로부터 발생하는 열을 관리하기 위한 구좌가 적용되어야 한다.
도 1은 종래 배터리 팩에 적용되는 냉각 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 냉각판을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 배터리 팩(1)을 구성하는 복수의 배터리 모듈(10) 하부에 냉각판(20)을 배치함으로써 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 냉각이 이루어졌다. 그러나 이러한 구조는 배터리 모듈(10)의 일측에서만 냉각이 이루어지기 때문에 냉각 성능 및 효율을 개선하는데 한계가 있었다. 또한, 도 2와 같이, 복수의 배터리 모듈(10)은 냉각판(20)을 공유하므로, 인접한 모듈로의 열 전달이 용이하여 열 폭주(thermal runaway)로 이어지기 쉬운 문제가 있다.
본 발명은 냉각 성능 및 효율이 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 모듈 간의 열 전파를 방지 또는 지연시키는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 일 방향을 따라 적층된 복수의 배터리 셀들; 상기 복수의 배터리 셀들의 적층 방향의 최외곽에 배치되는 엔드 플레이트; 및 상기 복수의 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 냉각 유로를 포함하며, 상기 복수의 배터리 셀들의 상부 및 하부에 각각 배치되는 상부 냉각판 및 하부 냉각판;을 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 상부 냉각판과 상기 하부 냉각판 사이에서 상기 냉각수가 이동하도록 상기 상부 냉각판과 상기 하부 냉각판을 연결하는 유로 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각 유로와 연결되어 상기 냉각 유로로 상기 냉각수를 공급하는 유입구 및 상기 냉각 유로부터 상기 냉각수를 배출시키는 배출구를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 상부 냉각판 및 상기 하부 냉각판 중 어느 하나에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유로 연결부는 한 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 유로 연결부는 상기 복수의 배터리 셀들의 길이 방향으로 이격 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구 및 상기 배출구가 구비되는 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판은 상기 유입구와 연결되는 냉각 유로를 포함하는 제1 부분 및 상기 배출구와 연결되는 냉각 유로를 포함하는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판 상에서 서로 연결되지 않도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 부분은 적어도 상기 제1 부분과 동일한 면적을 갖거나 상기 제1 부분보다 넓은 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구 및 상기 배출구가 구비되지 않은 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판에 포함된 냉각 유로는 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판 상에서 연속적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 한 쌍의 유로 연결부 중 어느 하나에서 상기 냉각수는 상기 상부 냉각판에서 상기 하부 냉각판으로 흐르고, 다른 하나에서 상기 냉각수는 상기 하부 냉각판에서 상기 상부 냉각판으로 흐르도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀들과 상기 상부 냉각판 및 상기 하부 냉각판 사이에 배치되는 방열 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀들은 상기 복수의 배터리 셀들의 길이 방향 양측에 각각 전극 단자를 포함하는 각형 배터리 셀일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 복수로 구비되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈이 수용되는 팩 하우징; 및 상기 배터리 모듈을 덮도록 상기 팩 하우징에 결합되는 팩 커버;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 팩 커버를 통해 외부로 노출되며, 상기 팩 커버를 통해 노출된 상기 유입구 및 상기 배출구에 결합되는 관이음부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 배터리 모듈의 길이 방향을 기준으로 일측에 구비되며, 상기 배터리 모듈은 상기 유입구 및 상기 배출구가 구비된 부분이 상기 배터리 모듈의 길이 방향으로 마주보도록 상기 팩 하우징에 수용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배터리 모듈은 상기 배터리 모듈의 측면이 상기 팩 하우징으로부터 이격되도록 배치되며, 상기 배터리 모듈과 상기 팩 하우징 사이에는 에어 갭이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배터리 모듈과 상기 팩 하우징 사이 및 상기 배터리 모듈과 상기 팩 커버 사이 중 적어도 한군데 이상에 배치되는 단열 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩은 냉각 성능 및 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 인접한 배터리 모듈로의 열 전파를 방지 또는 지연시킬 수 있다.
도 1은 종래 배터리 팩에 적용되는 냉각 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 냉각판을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 배터리 모듈의 측면도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상부 및 하부 냉각판의 냉각 유로 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략도이다.
도 11은 도 10의 배터리 팩을 상부에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략도이다.
도 13은 도 12의 배터리 팩의 열 차단 효과를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어를 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서, 서로 다른 실시예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명할 수 있다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 모두 하나의 실시예를 의미하는 것은 아니다.
이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "구성하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명은 배터리 모듈(100) 및 이를 포함하는 배터리 팩(1000)에 관한 것으로, 자세하게는 양면에서 냉각이 이루어지는 배터리 모듈(100) 및 이를 포함하는 배터리 팩(1000)에 관한 것이다.
먼저, 도 3 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 사시도이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 배터리 모듈의 측면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀들(110) 및 복수의 배터리 셀들(110)을 냉각시키는 복수의 냉각판(130, 140)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀들(110)은 각형(prismatic) 배터리 셀일 수 있다. 각형 배터리 셀은 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 케이스(111)가 납작하고 각진 형태를 갖는 배터리 셀을 의미하며, 각형 배터리 셀의 케이스(111)는 알루미늄 재질일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀들(110)은 길이 방향 양측으로 전극 단자가 돌출된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀들(110)의 길이 방향 일측에는 양극 단자(112)가 돌출 형성되고, 타측에는 음극 단자(113)가 돌출 형성될 수 있다. 복수의 배터리 셀들(110)은 전극 단자를 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀들(110)은 일 방향으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀들(110)은 케이스(111)의 넓은 면이 대면하도록 적층될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀들(110)은 도 3과 같이 적층 방향을 따라 양극 단자와 음극 단자가 교대로 배치되도록 적층될 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 복수의 배터리 셀들(110) 사이에는 압축 부재(미도시)가 배치되어 복수의 배터리 셀들(110) 사이의 간격을 메꿀 수 있다. 예를 들어, 압축 부재는 폴리우레탄 재질로 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀들(110)의 적층 방향의 최외각에 배치되는 엔드 플레이트(120)를 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(120)는 복수의 배터리 셀들(110)의 적층 방향 양측에 각각 배치될 수 있다. 엔드 플레이트(120)는 복수의 배터리 셀들(110)의 적층 방향에서 복수의 배터리 셀들(110)을 고정 및 지지할 수 있다.
엔드 플레이트(120)는 배터리 모듈(100)의 외관을 형성하므로 구조적으로 강성을 가져야 하며, 동시에 복수의 배터리 셀(110)과의 접촉에 의한 전기적 단락 및 충격을 흡수할 수 있어야 한다. 예를 들어, 엔드 플레이트(120)는 금속 재질 및 절연 재질을 포함할 수 있으며, 금속 재질 부분과 절연 재질 부분은 일체로 또는 별개의 구성으로 구비될 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 복수의 배터리 셀들(110)의 길이 방향 양측에는 각각 사이드 플레이트(미도시)가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀들(110)을 냉각시키는 복수의 냉각판(130, 140)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 냉각판(130, 140)은 복수의 배터리 셀들(110)의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있으며, 이에 따라 복수의 배터리 셀들(110)은 양면에서 냉각(열 관리)가 이루어질 수 있다. 복수의 냉각판(130, 140)은 열전도율이 높은 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 냉각판(130, 140)은 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 재질로 형성될 수 있다. 이하의 설명에서, 복수의 배터리 셀들(110)의 상부에 배치되는 냉각판은 상부 냉각판(130), 하부에 배치되는 냉각판은 하부 냉각판(140)이라고 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)은 각각 복수의 배터리 셀들(110)의 상부 및 하부를 덮도록 배치될 수 있다. 보다 자세하게, 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)은 각각 복수의 배터리 셀들(110)의 상부 및 하부와 직접 대면할 수 있다. 바람직하게는, 복수의 배터리 셀들(110)과 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140) 사이에 방열 부재(미도시)가 추가로 배치될 수 있다. 예를 들어, 방열 부재는 열전도 패드(thermal pad) 또는 열전도 페이스트(thermal paste)로 마련될 수 있다. 방열 부재는 복수의 배터리 셀들(110)과 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140) 사이에 존재할 수 있는 미세한 틈을 메꾸어 배터리 모듈(100)의 냉각 성능 및 효율 향상에 기여할 수 있다.
상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)은 복수의 배터리 셀들(110)을 냉각시키는 냉각수, 예를 들어, 냉각수가 유동하는 냉각 유로(이하, 상부 냉각 유로(131) 및 하부 냉각 유로(141))를 포함할 수 있다. 상부 냉각 유로(131)와 하부 냉각 유로(141)는 복수의 배터리 셀들(110)의 양면에서 충분히 열교환이 이루어질 수 있도록 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)의 일면에 전체적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 냉각 유로(131)와 하부 냉각 유로(141)는 서로 연결될 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 상부 냉각 유로(131)와 하부 냉각 유로(141)를 연결하는 유로 연결부(150)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 유로 연결부(150)는 엔드 플레이트(120)에 구비될 수 있다. 유로 연결부(150)는 엔드 플레이트(120)의 높이 방향으로 연장되어, 일측은 상부 냉각판(130)과 연결되고 타측은 하부 냉각판(140)과 연결될 수 있다. 자세하게는, 유로 연결부(150)는 연결 파이프(151)를 포함할 수 있으며, 연결 파이프(151)의 일측은 상부 냉각 유로(131)와 연통되고 타측은 하부 냉각 유로(141)와 연통되어, 상부 냉각판(130)에서 하부 냉각판(140)으로 및/또는 그 반대로 냉각수가 유동할 수 있다.
또한, 도면을 참조하면, 유로 연결부(150)는 연결 파이프(151)를 감싸는 고무 호스(152) 및 고무 호스(152)를 고정시키는 클램프(153)를 더 포함할 수 있다. 고무 호스(152)는 연결 파이프(151)를 대략 전체적으로 감싸도록 구비될 수 있으며, 클램프(153)는 고무 호스(152)의 양단부에 끼워져 고무 호스(152)를 연결 파이프(151)에 고정시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유로 연결부(150)는 한 쌍으로 구비될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 한 쌍의 유로 연결부(150)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 유로 연결부(150)는 복수의 배터리 셀들(110)의 길이 방향으로 이격 배치될 수 있다. 도면을 참조하면, 한 쌍의 유로 연결부(150)는 복수의 배터리 셀들(110)의 적층 방향으로 엔드 플레이트(120)의 외측에서 복수의 배터리 셀들(110)의 길이 방향으로 이격 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 유로 연결부(150)가 한 쌍으로 구비되는 것은 상부 냉각판(130)에서 하부 냉각판(140) 방향 및 그 반대 방향으로의 냉각수 흐름을 제공하기 위한 것일 수 있다. 따라서, 후술하겠지만, 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)이 각각 유입구(160)와 배출구(170) 중 어느 하나를 포함하는 실시예에서는 유로 연결부(150)가 반드시 한 쌍으로 구비될 필요는 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 상부 냉각판(130) 또는 하부 냉각판(140)으로 냉각수를 공급하는 유입구(inlet)(160)와 배터리 모듈(100)의 외부로 냉각수를 배출시키는 배출구(outlet)(170)를 포함할 수 있다. 즉, 유입구(160) 및 배출구(170)는 냉각판(130, 140)의 냉각 유로(131, 141)와 연통될 수 있다.
일 실시예로, 유입구(160) 및 배출구(170)는 상부 냉각판(130) 또는 하부 냉각판(140)에 함께 구비될 수 있다. 도면에는 유입구(160) 및 배출구(170)가 상부 냉각판(130)에 구비되는 것으로 도시되었으나, 전술한 것과 같이 유입구(160) 및 배출구(170)는 상부 냉각판(130) 대신 하부 냉각판(140)에 구비될 수도 있다. 또한, 다른 실시예로, 유입구(160) 및 배출구(170)는 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)에 나누어 구비될 수 있다. 즉, 유입구(160)는 상부 냉각판(130)에, 배출구(170)는 하부 냉각판(140)에 구비될 수 있으며, 반대로 유입구(160)가 하부 냉각판(140)에, 배출구(170)가 상부 냉각판(130)에 구비될 수 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 유입구(160) 및 배출구(170)를 포함할 수 있으며, 유입구(160) 및 배출구(170)가 구비되는 위치는 특별히 한정되지 않는다. 다만, 본 명세서에서는 도면에 도시된 유입구(160) 및 배출구(170)가 모두 상부 냉각판(130)에 구비되는 실시예를 중심으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유입구(160) 및 배출구(170)는 한 쌍의 유로 연결부(150)와 복수의 배터리 셀들(110)의 적층 방향으로 이격 배치될 수 있다. 그리고 유입구(160) 및 배출구(170)와 한 쌍의 유로 연결부(150) 사이에는 냉각 유로(131, 141)가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각수는 유입구(160)를 통해 상부 냉각 유로(131)로 유입되어 하부 냉각 유로(141)를 거쳐 다시 상부 냉각 유로(131)와 연결된 배출구(170)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 냉각수는 유로 연결부(150)에 의해 상부 냉각 유로(131)와 하부 냉각 유로(141) 사이에서 유동할 수 있다.
냉각수는 냉각판(130, 140)에 형성된 냉각 유로(131, 141)를 따라 일 방향으로 유동할 수 있다. 냉각 유로(131, 141)는 유입구(160)와 배출구(170) 사이에서 연속적으로 형성될 수 있으며, 상부 냉각 유로(131)와 하부 냉각 유로(141)는 연결 파이프(151)에 의해 연통될 수 있다. 예를 들어, 유입구(160) 및 배출구(170)가 모두 상부 냉각판(130)에 구비되는 실시예에서, 유입구(160)로 유입된 냉각수는 한 쌍의 유로 연결부(150) 중 어느 하나를 통해 상부 냉각 유로(131)에서 하부 냉각 유로(141)로 유동하고, 다른 하나를 통해 하부 냉각 유로(141)에서 다시 상부 냉각 유로(131)로 유동하여 배출구(170)를 통해 배출될 수 있다.
위에서 설명한 냉각수 흐름 경로를 제공하기 위해, 상부 냉각 유로(131)는 상부 냉각판(130) 상에서 서로 분리된 또는 연결되지 않은 제1 부분(131a) 및 제2 부분(131b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 냉각수는 제1 부분(131a)에서 제2 부분(131b)으로 곧바로 향할 수 없으며, 하부 냉각 유로(141)를 거쳐서만 제2 부분(131b)으로 유입될 수 있다. 하부 냉각 유로(141)는 하부 냉각판(140) 상에서 연속적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 부분(131a)의 일측은 유입구(160)와 연결되고 타측은 유로 연결부(150)와 연결될 수 있으며, 제2 부분(131b)의 일측은 배출구(170)와 연결되고 타측은 유로 연결부(150)와 연결될 수 있다. 이 때, 제1 부분(131a)과 제2 부분(131b)은 서로 다른 유로 연결부(150)에 연결될 수 있다. 그리고 하부 냉각 유로(141)의 일측 및 타측은 각각 한 쌍의 유로 연결부(150)와 연결될 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 상부 및 하부 냉각판의 냉각 유로 구성을 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 상부 냉각판(130) 및 하부 냉각판(140)에는 상부 냉각 유로(131) 및 하부 냉각 유로(141)가 다양한 형태로 마련될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상부 냉각 유로(131)의 제1 부분(131a) 및 제2 부분(131b)은 동일한 또는 거의 동일한 면적으로 구비될 수 있다. 냉각수는 상부 냉각 유로(131)의 제1 부분(131a)을 따라 흐르면서 복수의 배터리 셀들(110)을 냉각시킬 수 있다. 도 6의 실시예에 따르면, 유입구(160)로 유입된 냉각수는 복수의 배터리 셀들(110)의 상면 측을 냉각시킨 다음 하부 냉각판(140)으로 이동할 수 있으며, 배터리 셀들(110)의 상면과 하면에서 고르게 냉각이 이루어질 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상부 냉각 유로(131)는 제2 부분(131b) 위주로 구비될 수 있다. 도 7 및 도 8의 실시예에 따르면, 유입구(160)로 유입된 냉각수는 복수의 배터리 셀들(110)과 열교환하지 않고 곧바로 유로 연결부(150)를 통해 하부 냉각 유로(141)로 향할 수 있다. 이와 같은 실시예에서는 복수의 배터리 셀들(110)의 하부 중심으로 냉각이 이루어질 수 있다. 다만, 도 8과 같이, 제1 부분(131a)이 냉각수가 유입구(160)와 대각 방향으로 배치된 유로 연결부(150)를 향하도록 구비되는 경우, 냉각수는 제2 부분(131b)에서 최단 경로로 흐르게 될 수 있다.
도 9는 도 6의 변형 실시예로, 유입구(160) 및 배출구(170)가 상부 냉각판(130) 상에서 대각 방향으로 배치된 경우의 냉각 유로의 구성을 나타낸다.
한편, 냉각수는 냉각 유로(131, 141)를 흐르면서 복수의 배터리 셀들(110)과 열교환하는 과정에서 온도가 상승될 수 있다. 따라서, 배출구(170)를 통해 배출되는 냉각수의 온도는 유입구(160)로 유입되는 냉각수의 온도보다 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유입구(160)와 배출구(170)는 상부 냉각판(130) 및/또는 하부 냉각판(140)에서 복수의 배터리 셀들(110)의 높이 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 나아가, 유입구(160) 및 배출구(170)는 후술할 배터리 팩(1000)의 팩 커버(1040)를 통해 노출될 수 있으며, 유입구(160) 및 배출구(170)에는 관이음부(1180)가 결합될 수 있다. 이와 관련한 설명은 후술한다.
다음으로는, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략도이고, 도 11은 도 10의 배터리 팩을 상부에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈들(1100)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈들(1100)은 팩 하우징(1010)에 수용될 수 있다. 자세하게, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 팩 하우징(1010)에 마련된 내부 공간에 수용될 수 있다. 도 11을 참조하면, 팩 하우징(1010)의 내부 공간은 팩 하우징(1010)의 길이 방향으로 연장된 센터 빔(1020) 및 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 연장된 크로스 빔(1030)에 의해 복수의 공간으로 구획될 수 있으며, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 복수의 구획된 공간에 각각 배치될 수 있다. 또한, 팩 하우징(1010)의 일측에는 전장부품(electric parts)이 배치되는 공간이 별도로 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 것과 같이, 팩 하우징(1010)의 내부 공간은 센터 빔(1020) 및 크로스 빔(1030)에 의해 길이 방향 및 폭 방향을 따라 복수의 공간으로 구획될 수 있으며, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 복수의 구획된 공간에 각각 배치될 수 있다. 이 때, 복수의 구획된 공간에 각각 배치된 복수의 배터리 모듈들(1100)과 센터 빔(1020) 및 크로스 빔(1030) 사이에는 간격이 형성될 수 있다. 다시 말해, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 센터 빔(1020) 및 크로스 빔(1030)으로부터 이격 배치될 수 있으며, 이에 따라 복수의 배터리 모듈들(1100)과 센터 빔(1020) 및 크로스 빔(1030) 사이에는 에어 갭(air gap)이 형성될 수 있다. 에어 갭은 배터리 모듈(1100)로부터 발생한 열을 배터리 모듈(1100)이 배치된 구획된 공간에 가두어 인접한 배터리 모듈(1100)로의 열 전파를 지연시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 각각의 배터리 모듈들(1100)에 구비된 유입구(1160) 및 배출구(1170)가 크로스 빔(1030) 측에 놓이도록 배치될 수 있다. 이와 관련한 자세한 설명은 후술한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 팩 하우징(1010)의 상측에는 내부 공간을 덮도록 팩 커버(1040)가 배치될 수 있다. 팩 커버(1040)는 내부 공간을 밀폐하여 복수의 배터리 모듈들(1100)을 포함한 내부 공간에 배치되는 여러 부품들을 보호할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 모듈(1100)의 유입구(1160) 및 배출구(1170)는 팩 커버(1040)의 외부로 노출될 수 있다. 예를 들어, 팩 커버(1040)는 복수의 홀(1041)을 포함하며, 유입구(1160) 및 배출구(1170)의 일측 단부는 복수의 홀(1041)을 통해 팩 커버(1040)의 외부로 노출될 수 있다.
팩 커버(1040)의 홀(1041)을 통해 노출된 유입구(1160) 및 배출구(1170)의 일측 단부에는 관이음부(1180)가 결합될 수 있다. 또한, 관이음부(1180)에는 외부 호스가 결합될 수 있다, 이에 따라, 유입구(1160) 및 배출구(1170)는 관이음부(1180)를 통해 외부 호스와 연결될 수 있다. 관이음부(1180)는 유입구(1160) 및 배출구(1170)를 외부 호스와 연결하면서, 실링(sealing)하는 역할까지 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 각각의 배터리 모듈(1100)을 구성하는 복수의 배터리 셀들(1110)의 적층 방향 일측에 유입구(1160) 및 배출구(1170)를 포함할 수 있으며, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 인접 배치되는 배터리 모듈(1100) 간에 유입구(1160) 및 배출구(1170)가 구비된 일측이 서로 가깝도록 팩 하우징(1010)에 수용될 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈(1100)은 유입구(1160) 및 유출구(1170)가 팩 하우징(1010)의 중앙 부분 측으로 놓이도록 배치될 수 있다. 도면을 참조하면, 복수의 배터리 모듈들(1100)은 유입구(1160) 및 배출구(1170)가 크로스 빔(1030) 측을 향하도록 팩 하우징(1010)에 수용될 수 있다. 그러나 다른 실시예로 복수의 배터리 모듈들(1100)은 유입구(1160) 및 배출구(1170)가 센터 빔(1020) 측을 향하도록 배치될 수도 있다. 복수의 배터리 모듈들(1100)이 이와 같이 배치되는 경우, 팩 하우징(1010)의 중앙 부분에서 복수의 배터리 모듈(1100)과 포트(port)의 연결이 일괄적으로 이루어지므로, 배관(외부 호스) 형태 및 연결 구조가 단순해질 수 있다.
한편, 위에서 설명한 실시예와 다르게 각각의 배터리 모듈들(1100)에 구비되는 유입구(1160) 및 배출구(1170)의 위치가 변경되는 경우에는 복수의 배터리 모듈들(1100)의 배열 형태도 달라질 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략도이고, 도 13은 도 12의 배터리 팩의 열 차단 효과를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 도 12에 도시된 것과 같이 배터리 모듈(1100)과 배터리 팩(1000) 사이에 단열 부재(1200)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단열 부재(1200)는 상부 냉각판(1130)과 팩 커버(1040) 사이 및 하부 냉각판(1140)과 팩 하우징(1010) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 팩(1000)을 구성하는 복수의 배터리 모듈들(1100)이 공유하는 팩 하우징(1010) 및 팩 커버(1040)는 열전도율이 높은 금속 재질, 예를 들어, 알루미늄 재질로 형성될 수 있으며, 이에 팩 하우징(1010)과 팩 커버(1040)가 배터리 모듈(1100)의 상부 냉각판(1130) 및 하부 냉각판(1140)과 직접 대면하는 경우, 팩 하우징(1010) 내 인접 배치된 배터리 모듈(1100)로의 열 전달이 용이할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 도 13과 같이, 열이 전달되는 경로 상에 단열 부재(1200)를 추가로 배치함으로써 배터리 모듈(1100) 간의 열 전파를 방지 내지 지연시킬 수 있다.
단열 부재(1200)는 내열성 있는 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 단열 부재(200)는 운모(mica) 또는 세라믹 울(ceramic wool)과 같은 재질로 형성될 수 있다. 이러한 재질들은 배터리 셀(1110)이 발화되는 온도에서 용융되지 않으므로, 이벤트 발생에 따른 배터리 팩(1000)의 구조적인 붕괴를 막을 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 상부 및 하부에서 복수의 배터리 셀들(110)에 대한 냉각이 이루어지므로 냉각 성능 및 효율이 증대될 수 있다. 또한, 배터리 팩(1000)의 측면에서는 배터리 모듈(100) 별로 독립적으로 냉각이 이루어지기 때문에 전체적인 냉각 성능 및 효율이 향상될 수 있으며, 인접한 배터리 모듈(100)로의 열 전파를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 열적으로 매우 안정적인 배터리 팩(1000)을 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
130: 상부 냉각판
140: 하부 냉각판
150: 유로 연결부
160: 유입구
170: 배출구
1000: 배터리 팩

Claims (15)

  1. 일 방향을 따라 적층된 복수의 배터리 셀들;
    상기 복수의 배터리 셀들의 적층 방향의 최외곽에 배치되는 엔드 플레이트; 및
    상기 복수의 배터리 셀들을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 냉각 유로를 포함하며, 상기 복수의 배터리 셀들의 상부 및 하부에 각각 배치되는 상부 냉각판 및 하부 냉각판;을 포함하고,
    상기 엔드 플레이트는 상기 상부 냉각판과 상기 하부 냉각판 사이에서 상기 냉각수가 유동하도록 상기 상부 냉각판과 상기 하부 냉각판을 연결하는 적어도 하나 이상의 유로 연결부를 포함하는, 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유로와 연결되어 상기 냉각 유로로 상기 냉각수를 공급하는 유입구 및 상기 냉각 유로로부터 상기 냉각수를 배출시키는 배출구를 더 포함하며,
    상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판 중 적어도 하나에 구비되는, 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판에 구비되는, 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유로 연결부는 한 쌍으로 구비되며, 상기 한 쌍의 유로 연결부는 상기 복수의 배터리 셀들의 길이 방향으로 이격 배치되는, 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유입구 및 상기 배출구가 구비되는 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판은 상기 유입구와 연결되는 냉각 유로를 포함하는 제1 부분 및 상기 배출구와 연결되는 냉각 유로를 포함하는 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판 상에서 서로 연결되지 않도록 형성된, 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 동일한 면적을 갖거나 상기 제1 부분보다 넓은 면적을 갖도록 형성되는, 배터리 모듈.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 유입구 및 상기 배출구가 구비되지 않은 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판에 포함된 냉각 유로는 상기 상부 냉각판 또는 상기 하부 냉각판 상에서 연속적으로 형성된, 배터리 모듈.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 한 쌍의 유로 연결부 중 어느 하나에서 상기 냉각수는 상기 상부 냉각판에서 상기 하부 냉각판으로 흐르고, 다른 하나에서 상기 냉각수는 상기 하부 냉각판에서 상기 상부 냉각판으로 흐르도록 구성되는, 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들과 상기 상부 냉각판 및 상기 하부 냉각판 사이에 배치되는 방열 부재를 더 포함하는, 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들은 상기 복수의 배터리 셀들의 길이 방향 양측에 각각 전극 단자를 포함하는 각형 배터리 셀인, 배터리 모듈.
  11. 복수로 구비되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈이 수용되는 팩 하우징; 및
    상기 배터리 모듈을 덮도록 상기 팩 하우징에 결합되는 팩 커버;를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 팩 커버를 통해 외부로 노출되며,
    상기 팩 커버를 통해 노출된 상기 유입구 및 상기 배출구에 결합되는 관이음부를 더 포함하는, 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 유입구 및 상기 배출구는 상기 배터리 모듈의 길이 방향 일측에 구비되며,
    상기 복수의 배터리 모듈은 인접 배치되는 배터리 모듈 간에 상기 유입구 및 상기 배출구가 구비된 부분이 가깝도록 상기 팩 하우징에 수용되는, 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 배터리 모듈의 측면이 상기 팩 하우징으로부터 이격되도록 배치되며, 상기 배터리 모듈과 상기 팩 하우징 사이에는 에어 갭이 형성되는, 배터리 팩.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 팩 하우징 사이 및 상기 배터리 모듈과 상기 팩 커버 사이 중 적어도 한군데 이상에 배치되는 단열 부재를 더 포함하는, 배터리 팩.
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