KR20240100265A - 전기 기기 및 전지 팩 시스템 - Google Patents

전기 기기 및 전지 팩 시스템 Download PDF

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KR20240100265A
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다카토시 가게야마
다카시 이나무라
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프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

전기 기기는, 금속제의 하우징(120)과, 하우징(120)과 이격되어 마련되는 전장 부품(230, 240)과, 전장 부품(230, 240)에 접속되는 버스 바(290, 290A, 290B)를 구비한다. 버스 바(290, 290A, 290B)는 전장 부품(230, 240)에 접속되는 제1 부분(291A, 291B)과, 제1 부분(291A, 291B)보다도 하우징(120)에 가까운 위치에 마련된 제2 부분(292A, 292B)을 포함한다. 버스 바(290, 290A, 290B)의 제2 부분(292A, 292B)과 하우징(120) 사이에 공기보다도 열전도율이 높은 절연성의 전열부(200D)가 마련된다.

Description

전기 기기 및 전지 팩 시스템{ELECTRIC DEVICE AND BATTERY PACK SYSTEM}
본 기술은, 전기 기기 및 전지 팩 시스템에 관한 것이다.
전기 기기에 있어서의 전장 부품으로부터의 방열을 촉진하기 위한 구조로서, 예를 들어 일본 실용신안 공개 평05-008947호 공보 및 일본 특허 공개 제2000-125448호 공보에 기재된 것이 종래부터 알려져 있다.
대전류가 흐르는 전기 기기에 있어서는, 전장 부품의 도전부에 있어서의 저항이 비교적 작은 것이어도, 당해 저항 부분에 있어서의 발열이 커질 수 있다. 종래의 방열 구조는, 큰 발열량에 대처하는 냉각이라는 관점에서, 반드시 충분한 것은 아니다.
본 기술의 목적은, 전장 부품의 냉각 효율이 높은 전기 기기 및 전지 팩 시스템을 제공하는 데 있다.
본 기술은, 이하의 전기 기기 및 전지 팩 시스템을 제공한다.
[1] 금속제의 하우징과, 하우징과 이격되어 마련되는 전장 부품과, 전장 부품에 접속되는 버스 바를 구비하고, 버스 바는, 전장 부품에 접속되는 제1 부분과, 제1 부분보다도 하우징에 가까운 위치에 마련된 제2 부분을 포함하고, 버스 바의 제2 부분과 하우징 사이에 공기보다도 열전도율이 높은 절연성의 전열부가 마련되는, 전기 기기.
[2] 전장 부품은, 퓨즈 소자 또는 릴레이 소자를 포함하는, [1]에 기재된 전기 기기.
[3] 전열부는, 1.0W/m·K 이상의 열전도율을 갖는, [1] 또는 [2]에 기재된 전기 기기.
[4] 전열부는, 시트상의 부재로 이루어지는, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 전기 기기.
[5] 전열부는, 아크릴계 수지를 포함하는, [1] 내지 [4] 중 어느 한 항에 기재된 전기 기기.
[6] 전장 부품은, 제1 단자 및 제2 단자를 갖고, 버스 바는, 제1 단자에 접속되는 제1 버스 바와, 제2 단자에 접속되는 제2 버스 바를 갖고, 제1 버스 바 및 제2 버스 바는, 제1 부분 및 제2 부분을 각각 포함하는, [1] 내지 [5] 중 어느 한 항에 기재된 전기 기기.
[7] 버스 바는 판상 부재로 이루어지고, 판상 부재를 절곡 가공함으로써 제1 부분 및 제2 부분이 형성되는, [1] 내지 [6] 중 어느 한 항에 기재된 전기 기기.
[8] 하우징에 설치된 냉각 플레이트를 더 구비하고, 냉각 플레이트는 냉각 매체 통로를 갖는, [1] 내지 [7] 중 어느 한 항에 기재된 전기 기기.
[9] 하우징과 냉각 플레이트 사이에 간극이 형성되고, 간극에 열전도성의 충전재가 마련되고, 전열부는 간극과 겹치는 위치에 마련되는, [8]에 기재된 전기 기기.
[10] 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과, 전지 팩과 전기적으로 접속된, [1] 내지 [9] 중 어느 한 항에 기재된 전기 기기를 구비한, 전지 팩 시스템.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부의 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 따른 다음 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은, 전지 팩과 전장 팩(전기 기기)을 포함하는 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는, 전지 팩에 포함되는 전지 셀을 도시하는 사시도이다.
도 3은, 전장 팩의 제1 외관도이다.
도 4는, 전지 팩의 제2 외관도이다.
도 5는, 전장 팩의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 6은, 전장 팩의 케이스 내부의 배치를 도시하는 도면이다.
도 7은, 퓨즈 소자(전장 부품)의 탑재 구조를 도시하는 도면이다.
도 8은, 전열부 주변의 구조의 변형예를 도시하는 확대 단면도이다.
이하에, 본 기술의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 동일 또는 상당하는 부분에 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 설명을 반복하지 않는 경우가 있다.
또한, 이하에 설명하는 실시 형태에 있어서, 개수, 양 등을 언급하는 경우, 특별히 기재가 있는 경우를 제외하고, 본 기술의 범위는 반드시 그 개수, 양 등에 한정되지는 않는다. 또한, 이하의 실시 형태에 있어서, 각각의 구성 요소는, 특별히 기재가 있는 경우를 제외하고, 본 기술에 있어서 반드시 필수적인 것은 아니다. 또한, 본 기술은, 본 실시 형태에 있어서 언급하는 작용 효과를 반드시 모두 발휘하는 것에 한정되지는 않는다.
또한, 본 명세서에 있어서, 「구비한다(comprise)」 및 「포함한다(include)」, 「갖는다(have)」의 기재는, 오픈 엔드 형식이다. 즉, 어떤 구성을 포함하는 경우에, 당해 구성 이외의 다른 구성을 포함해도 되고, 포함하지 않아도 된다.
또한, 본 명세서에 있어서 기하학적인 문언 및 위치·방향 관계를 나타내는 문언, 예를 들어 「평행」, 「직교」, 「비스듬히 45°」, 「동축」, 「∼을 따라」 등의 문언이 사용되는 경우, 그들 문언은, 제조 오차 내지 약간의 변동을 허용한다. 본 명세서에 있어서 「상측」, 「하측」 등의 상대적인 위치 관계를 나타내는 문언이 사용되는 경우, 그들 문언은, 한 상태에 있어서의 상대적인 위치 관계를 나타내는 것으로서 사용되는 것이며, 각 기구의 설치 방향(예를 들어 기구 전체를 상하 반전시키는 등)에 따라, 상대적인 위치 관계는 반전 내지 임의의 각도로 회동될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 「전지」는, 리튬 이온 전지에 한정되지 않고, 니켈 수소 전지 및 나트륨 이온 전지 등의 다른 전지를 포함할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 「전지 셀」은 반드시 각형의 것에 한정되지 않고, 원통형, 파우치형, 블레이드형 등, 다른 형상의 셀도 포함할 수 있다. 「전지 셀」은, 하이브리드 차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 및 전기 자동차(BEV: Battery Electric Vehicle) 등에 탑재 가능하다. 단, 「전지 셀」의 용도는, 차량 탑재용에 한정되는 것은 아니다.
도 1은, 전지 팩(100)과 전장 팩(200)(전기 기기)을 포함하는 전지 팩 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전지 팩 시스템에 있어서는, 전지 팩(100)과, 전장 팩(200)이 충방전 라인(10) 및 신호 라인(20)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 전지 팩 시스템은, 인터페이스(300)를 통해 차량과 접속될 수 있다. 충방전 라인(10)에는, 전지 팩(100)을 충방전하는 전류가 흐른다. 신호 라인(20)에는, 제어 신호가 흐른다.
도 1의 예에서는, 복수의 전지 팩(100)이 충방전 라인(10)을 통해 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 각각의 전지 팩(100)에 있어서, 복수의 전지 셀이 전기적으로 직렬 접속되어 있다. 전장 팩(200)은 신호 라인(20)을 통해 각각의 전지 팩(100)과 전기적으로 접속되어 있다. 전장 팩(200)은 전지 팩(100)의 충방전을 제어할 수 있다. 전지 팩(100) 및 전장 팩(200)의 수 및 접속 양태는 적절히 변경이 가능하다. 또한, 전장 팩(200)이 전지 팩(100) 내에 마련되는 것이어도 된다.
전장 팩(200)은 정극측의 커넥터(211)와, 부극측의 커넥터(212)를 갖는다. 커넥터(211, 212) 중, 커넥터(211A, 211B)는, 인터페이스(300)를 통해 차량측의 부하와 접속되고, 커넥터(211B, 212B)는, 충방전 라인(10)과 접속된다.
전장 팩(200)은 커넥터(213)를 더 갖는다. 커넥터(213) 중, 커넥터(213A)는 인터페이스(300)를 통해 차량측의 기기와 접속되고, 커넥터(213B)는 시스템측의 신호 라인(20)과 접속된다.
도 2는, 전지 팩(100)에 포함되는 전지 셀(1)을 도시하는 사시도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 전지 셀(1)은 각형 형상을 갖는다. 단, 전지 팩(100)에 포함되는 전지 셀은, 각형 형상에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 예시하는 전지 셀(1)은 전극 단자(110)와, 하우징(120)과, 가스 배출 밸브(130)를 갖는다. 전극 단자(110)는 하우징(120) 상에 형성되어 있다. 전극 단자(110)는 Y축 방향(제1 방향)에 직교하는 X축 방향(제2 방향)을 따라 배열되는 정극 단자(111) 및 부극 단자(112)를 갖는다. 정극 단자(111) 및 부극 단자(112)는 X축 방향에 있어서, 서로 이격되어 마련되어 있다.
하우징(120)은 직육면체 형상을 갖고, 전지 셀(1)의 외관을 이룬다. 하우징(120)은 도시하지 않은 전극체 및 전해액을 수용하는 케이스 본체(120A)와, 케이스 본체(120A)의 개구를 밀봉하는 밀봉판(120B)을 포함한다. 밀봉판(120B)은 용접에 의해 케이스 본체(120A)에 접합된다.
하우징(120)은 상면(121)과, 하면(122)과, 제1 측면(123)과, 제2 측면(124)과, 2개의 제3 측면(125)을 갖는다.
상면(121)은 Y축 방향 및 X축 방향에 직교하는 Z축 방향(제3 방향)에 직교하는 평면이다. 상면(121)에는, 전극 단자(110)가 배치되어 있다. 하면(122)은 Z축 방향을 따라 상면(121)에 대향하고 있다.
제1 측면(123) 및 제2 측면(124)의 각 측면은, Y축 방향에 직교하는 평면으로 이루어진다. 제1 측면(123) 및 제2 측면(124)의 각 측면은, 하우징(120)이 갖는 복수의 측면 중에서 가장 큰 면적을 갖는다. 제1 측면(123) 및 제2 측면(124)의 각 측면은, Y축 방향에서 보아, 직사각형 형상을 갖는다. 제1 측면(123) 및 제2 측면(124)의 각 측면은, Y축 방향에서 보아, X축 방향이 긴 변 방향이 되고, Z축 방향이 짧은 변 방향이 되는 직사각형 형상을 갖는다.
복수의 전지 셀(1)은 Y축 방향으로 인접하는 전지 셀(1, 1) 사이에 있어서, 제1 측면(123)끼리, 제2 측면(124)끼리가 마주보도록 적층되어 있다. 이에 의해, 복수의 전지 셀(1)이 적층되는 Y축 방향에 있어서, 정극 단자(111)와 부극 단자(112)가 교호로 배열되어 있다.
가스 배출 밸브(130)는 상면(121)에 마련되어 있다. 가스 배출 밸브(130)는 전지 셀(1)의 온도가 상승하여(열폭주), 하우징(120)의 내부에서 발생한 가스에 의해 하우징(120)의 내압이 소정값 이상이 된 경우에, 그 가스를 하우징(120)의 외부로 배출한다.
복수의 전지 셀(1)을 팩 케이스에 수납함으로써, 도 1의 전지 팩(100)이 구성된다. 전지 팩(100)은 팩 케이스의 측면부가 전지 셀(1)의 적층체를 직접 지지하는 것(Cell-to-Pack 구조)이어도 되고, 복수의 전지 셀(1)을 포함하는 전지 모듈을 팩 케이스에 수납하는 것(Cell-Module-Pack 구조)이어도 된다.
도 3, 도 4는, 전장 팩(200)의 외관도이다. 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, 전장 팩(200)은 케이스 부재(200A)와, 냉각 플레이트(200B)를 포함한다. 냉각 플레이트(200B)는 케이스 부재(200A)의 저면을 구성할 수 있다. 케이스 부재(200A)의 측면에는, 커넥터(211A, 211B, 212A, 212B, 213A, 213B) 및 서비스 플러그(280)가 마련되어 있다. 케이스 부재(200A)의 내부 공간에 전장 부품이 수납된다.
도 5는, 전장 팩(200)의 구성을 도시하는 사시도이며, 도 6은, 전장 팩(200)의 케이스 부재(200A) 내부의 배치를 도시하는 도면이다. 도 5, 도 6에 도시하는 바와 같이, 전장 팩(200)은 제어 기판(220)과, 퓨즈 소자(230)와, 메인 릴레이(240)와, 전류 센서(250)와, 프리차지 저항(260)과, 프리차지 릴레이(270)를 포함한다.
퓨즈 소자(230), 메인 릴레이(240), 전류 센서(250), 프리차지 저항(260) 및 프리차지 릴레이(270)는, 케이스 부재(200A)의 내부 공간에 수납되는 전장 부품이며, 커넥터(211A, 211B, 212A, 212B)를 통해 전장 팩(200)의 외부와 접속된다. 제어 기판(220)도, 케이스 부재(200A)의 내부 공간에 수납되는 전장 부품이며, 커넥터(213A, 213B)를 통해 전장 팩(200)의 외부와 접속된다. 케이스 부재(200A)에는, 도 5, 도 6에 도시되지 않은 다른 전장 부품이 수납되어 있어도 된다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 퓨즈 소자(230)는 버스 바(290)를 통해 커넥터(212A), 메인 릴레이(240), 프리차지 릴레이(270) 및 서비스 플러그(280)와 전기적으로 접속된다.
도 7은, 퓨즈 소자(230)(전장 부품)의 탑재 구조를 도시하는 도면이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 퓨즈 소자(230)는 케이스 부재(200A)의 일부를 구성하는 금속제의 하우징(201A)과 이격되어 마련된다. 또한, 이하에서는 퓨즈 소자(230)의 탑재 구조에 대하여 예시적으로 설명하는데, 본 기술에 관한 전장 부품은 퓨즈 소자(230)에 한정되지 않고, 예를 들어 메인 릴레이(240)(릴레이 소자) 등의 다른 전장 부품에도 마찬가지의 탑재 구조를 적용할 수 있다.
퓨즈 소자(230)는 단자(231A)(제1 단자) 및 단자(231B)(제2 단자)를 갖는다. 단자(231A)에는 버스 바(290A)(제1 버스 바)가 접속되고, 단자(231B)에는 버스 바(290B)(제2 버스 바)가 접속된다.
버스 바(290A, 290B)는, 퓨즈 소자(230)에 접속되는 제1 부분(291A, 291B)과, 제1 부분(291A, 291B)보다도 하우징(201A)에 가까운 위치에 마련된 제2 부분(292A, 292B)과, 제2 부분(292A, 292B)보다도 하우징(201A)으로부터 이격된 위치에 마련된 제3 부분(293A, 293B)을 포함한다. 제1 부분(291A, 291B)과 제3 부분(293A, 293B)의 하우징(201A)으로부터의 높이(이격 높이)는, 대략 동일 정도여도 되고, 달라도 된다.
버스 바(290A, 290B)의 제1 부분(291A, 291B), 제2 부분(292A, 292B), 및 제3 부분(293A, 293B)은, 금속제의 판상 부재를 절곡 가공함으로써 형성될 수 있다. 또한, 제3 부분(293A, 293B)을 형성하지 않고, 제1 부분(291A, 291B) 및 제2 부분(292A, 292B)만으로 이루어지는 버스 바를 형성해도 된다.
버스 바(290A, 290B)의 제2 부분(292A, 292B)과 하우징(201A) 사이에는, 공기보다도 열전도율이 높은 절연성의 전열 부재(200D)(전열부)가 마련되어 있다. 전열 부재(200D)는 일정 이상의 열전도율 및 절연 내성을 갖는 소재에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 전열 부재(200D)는 1.0W/m·K 이상 정도의 열전도율을 갖는 것이 바람직하다. 일례로서, 전열 부재(200D)는 아크릴계 수지(열전도성 아크릴계 방열 재)를 포함하는, 탄력성이 있는 시트상의 부재로 이루어진다. 보다 구체적으로는, 스리엠사제의 6500H를 사용하여 전열 부재(200D)를 구성할 수 있다.
또한, 전열 부재(200D)의 구성은 상술한 것에 한정되지 않고, 예를 들어 겔상의 소재에 의해 전열 부재(200D)를 구성해도 된다.
전지 팩(100) 내지 전지 모듈의 대형화에 수반하여, 전지 팩(100)에 접속되는 전장 팩(200)에 대전류가 흐르기 쉬운 상황에 있다. 대전류가 흐르는 전장 팩(200)에 있어서는, 퓨즈 소자(230) 등의 전장 부품의 도전부에 있어서의 저항이 비교적 작은 것이어도, 당해 저항 부분에 있어서의 발열이 커질 수 있다.
이에 비해, 본 실시 형태에 관한 전장 팩(200)에 있어서는, 퓨즈 소자(230)에 있어서 발생한 열이, 퓨즈 소자(230)로부터 버스 바(290A, 290B) 및 전열 부재(200D)를 통해 금속제의 하우징(201A)에 전달되어서 효율적으로 방열된다. 결과적으로, 퓨즈 소자(230) 등의 전장 부품의 냉각을 효율적으로 행할 수 있다. 또한, 버스 바(290A, 290B)의 가공과 전열 부재(200D)의 설치만으로 상기의 탑재 구조를 얻을 수 있으므로, 전장 팩(200)의 구조가 복잡화되는 것이 억제된다.
도 8은, 전열 부재(200D) 주변의 구조의 변형예를 도시하는 확대 단면도이다. 도 8에 도시하는 예에서는, 냉각 매체 통로(201B)를 갖는 냉각 플레이트(200B)와 하우징(201A)이 겹쳐져 있다. 하우징(201A)과 냉각 플레이트(200B) 사이에 형성된 간극에 열전도성의 갭 필러(200C)(충전재)가 마련되어 있다. 전열 부재(200D)는 갭 필러(200C)가 충전된 간극과 겹치는 위치에 마련된다.
갭 필러(200C)는 페이스트상의 것이어도 되고, 페이스트상의 것이 경화되어 시트상이 된 것이어도 된다. 갭 필러(200C)는, 전열 부재(200D)와 동일 정도, 또는 전열 부재(200D)보다도 높은 열전도율을 갖는 것이 바람직하다.
도 8에 도시하는 예에 있어서는, 퓨즈 소자(230)에 있어서 발생한 열이, 퓨즈 소자(230)로부터 버스 바(290A) 및 전열 부재(200D)를 통해 하우징(201A)에 전달되고, 다시 갭 필러(200C)를 통해 냉각 매체 통로(201B)를 갖는 냉각 플레이트(200B)에 전달된다. 이 결과로서, 퓨즈 소자(230)의 냉각 효율을 더욱 높일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해 나타내지고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (10)

  1. 금속제의 하우징과,
    상기 하우징과 이격되어 마련되는 전장 부품과,
    상기 전장 부품에 접속되는 버스 바를 구비하고,
    상기 버스 바는, 상기 전장 부품에 접속되는 제1 부분과, 상기 제1 부분보다도 상기 하우징에 가까운 위치에 마련된 제2 부분을 포함하고,
    상기 버스 바의 상기 제2 부분과 상기 하우징 사이에 공기보다도 열전도율이 높은 절연성의 전열부가 마련되는, 전기 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전장 부품은, 퓨즈 소자 또는 릴레이 소자를 포함하는, 전기 기기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전열부는, 1.0W/m·K 이상의 열전도율을 갖는, 전기 기기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전열부는, 시트상의 부재로 이루어지는, 전기 기기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전열부는, 아크릴계 수지를 포함하는, 전기 기기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전장 부품은, 제1 단자 및 제2 단자를 갖고,
    상기 버스 바는, 상기 제1 단자에 접속되는 제1 버스 바와, 상기 제2 단자에 접속되는 제2 버스 바를 갖고,
    상기 제1 버스 바 및 상기 제2 버스 바는, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 각각 포함하는, 전기 기기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 버스 바는 판상 부재로 이루어지고,
    상기 판상 부재를 절곡 가공함으로써 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 형성되는, 전기 기기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하우징에 설치된 냉각 플레이트를 더 구비하고,
    상기 냉각 플레이트는 냉각 매체 통로를 갖는, 전기 기기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징과 상기 냉각 플레이트 사이에 간극이 형성되고,
    상기 간극에 열전도성의 충전재가 마련되고,
    상기 전열부는 상기 간극과 겹치는 위치에 마련되는, 전기 기기.
  10. 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과,
    상기 전지 팩과 전기적으로 접속된, 제1항 또는 제2항에 기재된 전기 기기를 구비한, 전지 팩 시스템.
KR1020230185461A 2022-12-22 2023-12-19 전기 기기 및 전지 팩 시스템 KR20240100265A (ko)

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