WO2010013902A2 - 우수한 냉각 효율성의 중대형 전지팩 케이스 - Google Patents

우수한 냉각 효율성의 중대형 전지팩 케이스 Download PDF

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WO2010013902A2
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Definitions

  • the present invention relates to a medium-large battery pack case having excellent cooling efficiency, and more particularly, to a medium-large battery pack case in which a battery module in which a plurality of chargeable and dischargeable battery cells or unit modules ('unit cells') are stacked is embedded.
  • the coolant inlet and the coolant outlet are located at the top and bottom of the pack case in opposite directions, and the coolant inlet and the coolant outlet are respectively formed in the pack case, and the upper inner surface of the coolant inlet facing the upper end of the unit cell stack is And an inclined surface structure inclined at a positive angle (A) with respect to the top surface of the unit cell stack in the direction of the coolant inlet at the opposite end of the coolant inlet, and the coolant inlet is the angle (A) of the inclined surface.
  • the inclination angle of the inclined surface is inclined at an angle B of a larger magnitude and when the inclination angle B of the refrigerant inlet is 20 to 80 degrees.
  • Figure (A) relates to a medium to large battery pack case consisting of 3 to 8 degrees.
  • the secondary battery is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle that has been proposed as a solution for air pollution of existing gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. It is attracting attention as a power source such as (Plug-In HEV).
  • One or two or four battery cells are used for small mobile devices, whereas medium and large battery modules, which are electrically connected to a plurality of battery cells, are used in medium and large devices such as automobiles due to the necessity of high output capacity.
  • the medium-large battery module is preferably manufactured in a small size and weight
  • the rectangular battery, the pouch-type battery, etc. which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells of the medium-large battery module.
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted much attention in recent years due to advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy form deformation.
  • the medium-large battery module In order for the medium-large battery module to provide the output and capacity required by a given device or device, it is necessary to electrically connect a plurality of battery cells in series and maintain a stable structure against external force.
  • the battery cells constituting the medium-large battery module is composed of a secondary battery capable of charging and discharging, such a high output large capacity secondary battery generates a large amount of heat during the charging and discharging process. If this is not effectively removed, thermal buildup occurs and consequently accelerates the deterioration of the unit cell, and in some cases there is a risk of fire or explosion. Therefore, a vehicle battery pack that is a high output large capacity battery requires a cooling system for cooling the battery cells embedded therein.
  • the performance degradation of some battery cells will cause the performance degradation of the entire battery pack. Since one of the main causes of the performance non-uniformity is due to cooling non-uniformity between the battery cells, there is a need for a structure that can minimize the temperature variation during the flow of the refrigerant by optimizing the shape of the flow path.
  • the refrigerant inlet and the refrigerant outlet are located at the upper and lower portions of the pack case in opposite directions, and the upper and lower surfaces of the flow space from the refrigerant inlet to the battery module are formed in parallel.
  • the flow rate tends to be introduced into the flow path between the battery cells near the coolant outlet, and the flow rate near the coolant inlet decreases a lot so that the temperature variation between the battery cells is high.
  • Korean Patent Application Publication Nos. 2006-0037600, 2006-0037601, and 2006-0037627 disclose that the battery cells are formed as the air guide surface formed to be inclined with respect to the opposite surfaces of the battery cells moves away from the refrigerant inlet.
  • the medium-large battery pack is installed to be inclined downward so as to be closer to.
  • the air guide surface at a constant inclination in the range of 15 to 45 degrees with respect to the opposite surface of the battery cells and forming the refrigerant inlet in parallel, the phenomenon that the refrigerant is concentrated in the battery cell flow path near the refrigerant outlet is suppressed.
  • the slope of the coolant inlet is the slope of the opposite end of the coolant inlet
  • the inclination of the air guide surface is in the range of 15 to 45 degrees, the phenomenon that the refrigerant is concentrated in the battery cell flow path near the refrigerant outlet cannot be suppressed. This increased the temperature deviation between the battery cells confirmed that the desired cooling uniformity could not be secured.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application after repeated experiments and in-depth studies on the medium-large battery pack case, when the inclination angle (B) of the refrigerant inlet is 20 to 80 degrees, the inclination angle (A) of the inclined surface of 3 to 8 degrees
  • the inclination angle (B) of the refrigerant inlet is 20 to 80 degrees
  • the inclination angle (A) of the inclined surface of 3 to 8 degrees
  • the medium-large battery pack case according to the present invention is a medium-large battery pack case in which a battery module in which a plurality of chargeable and dischargeable battery cells or unit modules ('unit cells') are stacked is built, and a refrigerant for cooling unit cells.
  • the coolant inlet and the coolant outlet are located at the top and bottom of the pack case in opposite directions so that the flow can flow from one side of the battery module to the opposite side in a direction perpendicular to the cell stacking direction, and the flow space from the coolant inlet to the battery module ( 'Coolant inlet') and a flow space from the battery module to the coolant outlet ('coolant outlet') are respectively formed in the pack case, and the upper inner surface of the coolant inlet facing the upper end of the unit cell stack is the coolant inlet.
  • the refrigerant inlet is inclined at an angle (B) of a size larger than the angle (A) of the inclined surface, the refrigerant
  • the inclination angle B of the inlet is 20 to 80 degrees
  • the inclination angle A of the inclined surface is configured to be 3 to 8 degrees.
  • the upper inner surface of the coolant inlet part is inclined toward the coolant inlet port from the opposite end of the coolant inlet port at a positive angle A with respect to the top surface of the unit cell stack. It is formed in the inclined surface structure, and the refrigerant inlet is formed in a structure inclined at an angle (B) of a size larger than the angle (A) of the inclined surface, the position of the refrigerant inlet port according to the mounting conditions for the device Even when located above the position, it is possible to easily obtain the desired level of cooling efficiency.
  • the coolant inlet is a predetermined inclination Since it is possible to minimize the non-uniformity of the refrigerant flowing in the flow path between the unit cells generated in the case, the deviation of heat generated during charging and discharging of the unit cells can be reduced to below the appropriate temperature, which, in turn, increases the life of the battery module It is possible to improve the operating performance of the unit cells.
  • 'an inclined surface inclined at a positive angle (A)' means that the upper inner surface of the coolant inlet located at the coolant inlet is higher than the upper inner surface of the coolant inlet located at the opposite end of the coolant inlet.
  • the portion where the inclination angle B of the coolant inlet is bent at the inclination angle A of the inclined surface is a distance corresponding to a length of 10 to 60% of the length of the pack case from the end of the pack case in which the coolant inlet is located. It can be located at The inflection portion of the inclination angle may be an angular structure or a gentle structure.
  • the upper inner surface of the coolant inlet has two inclined surface structures, that is, the inclination angle B of the coolant inlet is 20 to 80 degrees, and the inclination angle A of the inclined surface is 3 to
  • the uniformity of cooling is reduced by reducing the temperature variation of the refrigerant flowing between the unit cells, as compared with the case where the upper inner surface of the refrigerant inlet is parallel to the upper end of the unit cell stack or has a single sloped slope structure. It was confirmed that the sex was further improved.
  • the specific cooling inlet upper end inner surface structure as described above can effectively exhibit the desired cooling uniformity.
  • a medium-large battery pack case in which the angle of the refrigerant inlet is changed according to the internal structure of the vehicle and the battery module is built in various locations may be installed.
  • the medium-large battery pack case of the present invention which can minimize the temperature deviation between the unit cells, can be easily applied.
  • the battery module mounted in the medium-large battery pack case according to the present invention is manufactured by stacking a plurality of unit cells with high density, and stacking adjacent unit cells at regular intervals so as to remove heat generated during charging and discharging. do.
  • the battery cells themselves are sequentially stacked while being spaced at a predetermined interval without a separate member, or in the case of battery cells having low mechanical rigidity, one or two or more combinations are embedded in a predetermined mounting member and the mounting members are mounted.
  • By stacking a plurality of battery modules can be configured.
  • the latter case is referred to as 'unit module' in the present invention.
  • a coolant flow path is formed between the battery cells or between the unit modules so as to effectively remove heat accumulated between the stacked battery cells. Is done.
  • the coolant inlet and the coolant outlet are flow spaces through which coolant can be introduced and discharged to effectively cool the generation of heat due to charge and discharge of the battery cells, and are formed at upper and lower portions of the pack case in opposite directions. In some cases.
  • the coolant inlet and the coolant outlet may be formed at the bottom and top of the pack case, respectively.
  • the inclination angle A of the inclined surface may be 3 to 5 degrees. According to the experiments performed by the inventors of the present application, it was surprisingly found that when the inclination angle A of the inclined surface has the above range, the temperature deviation between the unit cells is further reduced.
  • the inclination angle B of the refrigerant inlet may be formed to 20 to 50 degrees.
  • the smaller the inclination angle B of the coolant inlet the more the coolant introduced into the coolant inlet may move to the flow path located at the opposite end of the coolant inlet.
  • the inclination angle A of the inclined surface is 3 to 8 degrees, in the structure in which the inclination angle B of the coolant inlet is formed at 20 to 50 degrees, the temperature variation of the coolant is It was confirmed that the decrease.
  • the width of the coolant inlet also affects the temperature variation between the unit cells.
  • the width of the coolant inlet is formed in a size of 5 to 25% based on the length of the pack case corresponding to the length of the unit cell stack, the temperature variation of the coolant generated according to the mounting conditions of the device is more efficiently. It can be reduced to, it is more preferable to form in the size of 10 to 20%.
  • the refrigerant inlet may have a general structure having a uniform width, but may have a structure having a varying width.
  • a structure in which the width increases from the start end of the coolant inlet to the longitudinal end in the direction in which the coolant flows into the pack case, and from the start end of the coolant inlet Both the structures that decrease in width toward the end are possible.
  • the width of the refrigerant inlet defined above means an average width.
  • the overall shape of the refrigerant inlet may also vary, as well as a structure in which the refrigerant inlet is a straight shape, a curved shape is also possible.
  • the inclination angle B of the coolant inlet defined above means the inclination angle of the longitudinal end of the coolant inlet as a reference in the direction in which the coolant flows into the pack case.
  • Opposite ends of the refrigerant inlet may be formed to have a structure spaced apart from the top surface of the unit cell stack at a height of 10% or less based on the height of the unit cell stack. This structure appropriately limits the amount of refrigerant reaching the opposite end of the refrigerant inlet, thereby further improving the uniform distribution effect of the refrigerant to the unit cells.
  • the opposite end of the refrigerant inlet may be a structure spaced apart from the top surface of the unit cell stack by about 1 to 10 mm.
  • the battery pack case according to the present invention has a structure in which cooling efficiency is particularly a problem, that is, the length of the battery pack case corresponding to the stacking direction of the unit cells is formed to be relatively longer than the length corresponding to the width direction of the unit cell. It is more preferable in the structure.
  • the coolant discharge part may be formed to have a uniform height with respect to the lower end of the unit cell stack. That is, the lower inner surface of the coolant discharge unit facing the lower end of the unit cell stack may have a structure having a uniform height with the lower end of the unit cell stack.
  • some modifications may be made to increase the efficiency of refrigerant discharge.
  • the coolant fan may be provided at the coolant inlet or the coolant outlet so that the coolant introduced from the coolant inlet may quickly and smoothly move to the coolant outlet and be discharged to the outside of the battery pack. May be additionally mounted.
  • the refrigerant introduced through the narrow inlet sufficiently reaches the unit cell far from the inlet at a high flow rate, so that the flow rate of the refrigerant is relatively uniform under the same conditions. The distribution effect is exerted.
  • the present invention also provides a medium-large battery pack having a structure in which a battery module is mounted on the medium-large battery pack case.
  • battery module broadly refers to a structure of a battery system capable of providing high output and large capacity electricity by mechanically coupling two or more charge / discharge battery cells or unit modules and simultaneously electrically connecting them. Therefore, it includes both the case of configuring one device by itself, or part of a large device.
  • a large battery module may be configured by connecting a plurality of small battery modules, or a plurality of unit modules may be connected by connecting a small number of battery cells.
  • the structure of the unit module can be made in a variety of configurations, a preferred example will be described below.
  • the unit module has a structure in which plate-shaped battery cells having electrode terminals formed at upper and lower ends thereof are connected to each other in series, and two or more battery cells having a stacked structure in which the connecting portions of the electrode terminals are bent, and the Excluding the electrode terminal portion may be configured to include a high-strength cell cover coupled to surround the outer surface of the battery cells.
  • the plate-shaped battery cell is a battery cell having a thin thickness and a relatively wide width and length so as to minimize the overall size when it is charged for the configuration of the battery module.
  • a secondary battery having a structure in which an electrode assembly is embedded in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and electrode terminals protrude from upper and lower ends thereof, and specifically, a pouch type of an aluminum laminate sheet. It may be a structure in which the electrode assembly is built in the case.
  • a secondary battery having such a structure may be referred to as a pouch type battery cell.
  • These battery cells can be configured as a unit module in a structure wrapped in a high-strength cell cover made of synthetic resin or metal in two or more units, the high-strength cell cover is charged and discharged while protecting the battery cell with low mechanical rigidity It prevents the sealing part of the battery cell from being separated by suppressing the change of repetitive expansion and contraction during the time. Therefore, it becomes possible to manufacture a medium-large battery module with more excellent safety ultimately.
  • the battery cells in the unit module or between the module modules are connected in series and / or in parallel, and in a preferred embodiment, the electrode terminals are arranged with the battery cells arranged longitudinally in series so that their electrode terminals are continuously adjacent to each other.
  • the plurality of unit modules may be manufactured by folding the battery cells in two or more units so as to overlap each other and wrapping the cells in a predetermined unit by the cell cover.
  • Coupling of the electrode terminals may be implemented in various ways, such as welding, soldering, mechanical fastening, preferably by welding.
  • the plurality of battery cells or unit modules, in which electrode terminals are interconnected and filled with high density, may be vertically mounted in a vertically separated case coupled to a prefabricated fastening structure to form the rectangular battery module.
  • the medium-large battery pack according to the present invention includes a plurality of unit cells in order to achieve high output and large capacity, such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, etc. It can be used particularly preferably for the power supply of.
  • FIG. 1 is a perspective view of a medium-large battery pack mounted with a battery module in a conventional medium-large battery pack case
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional schematic diagram of the medium-large battery pack of Figure 1;
  • FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view of a medium-large battery pack mounted with a battery module in a medium-large battery pack case according to another prior art
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional schematic diagram of a medium-large battery pack mounted with a battery module in a battery pack case according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing a structure in which the opposite end of the coolant inlet is spaced apart from the top surface of the battery cell stack in the medium-large battery pack of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell according to an inclination angle A of an inclined surface in the medium-large battery pack structure of FIG. 4;
  • FIG. 7 is a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell according to an inclination angle A of another inclined surface in the medium-large battery pack structure of FIG. 4;
  • FIG. 8 is a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell with respect to a change in the inclination angle B of the coolant inlet when the inclination angle A of the inclined surface is 4 degrees in the medium-large battery pack structure of FIG. 4;
  • FIG. 9 is a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell with respect to a change in an inclination angle B of a refrigerant inlet when the inclination angle A of the inclined surface is 8 degrees in the medium-large battery pack structure of FIG. 4;
  • FIG. 10 is a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell with respect to a change in the width d of the refrigerant inlet when the inclination angle A of the inclined surface is 4 degrees in the medium-large battery pack structure of FIG. 4;
  • FIG. 11 is a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell with respect to a change in the width d of the refrigerant inlet when the inclination angle A of the inclined surface of the medium-large battery pack structure of FIG. 4 is 8 degrees;
  • FIGS. 6 to 9 is a table showing the measurement results of FIGS. 6 to 9;
  • FIG. 13 is a table illustrating measurement results of FIGS. 10 and 11.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a medium-large battery pack mounted with a battery module in a conventional medium-large battery pack case
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional schematic diagram of the medium-large battery pack of FIG. 1.
  • the medium-large battery pack 100 includes a battery module 32 in which six unit modules 30 are stacked and electrically connected, a pack case 70 in which the battery module 32 is mounted, and a refrigerant.
  • the refrigerant inlet 40 is a flow space from the inlet 10 to the battery module 32 and the refrigerant outlet 50 is a flow space from the battery module 32 to the refrigerant outlet 20.
  • one unit module 30 is composed of four battery cells.
  • the coolant flowing from the coolant inlet 10 passes through the flow path 60 formed between the coolant inlet 40 and the unit modules 30 to cool the unit modules 30 and passes through the coolant discharge unit 50.
  • the refrigerant is discharged to the outside through the outlet 20.
  • the coolant inlet 40 is formed parallel to the stacking direction of the unit modules 30.
  • the flow rate of the coolant inlet 40 is increased in the flow path between the unit modules near the coolant outlet 20.
  • the flow rate is reduced in the flow path between the unit modules 30 near the refrigerant inlet 10
  • the cooling between the unit modules 30 is uneven, and the unit modules and the refrigerant inlet (near the refrigerant outlet 20) ( 10)
  • Unit modules nearby will have a high temperature deviation. This phenomenon is because the temperature of the refrigerant inlet 10 increases as the flow rate is driven toward the refrigerant outlet 20.
  • FIG. 3 is a vertical cross-sectional schematic diagram of a medium-large battery pack mounted with a battery module in a medium-large battery pack case according to another conventional art.
  • the medium-large battery pack 200 of FIG. 3 has a refrigerant discharge part 250, a flow path 260, and the like substantially the same as the medium-large battery pack 100 of FIG. 1, and the refrigerant inlet 210 of the pack case 270.
  • the coolant inlet 240 is inclined at a predetermined angle, and the battery module 232 has a difference in that the battery cells 230 are stacked instead of the unit module. That is, the upper inner surface 242 of the coolant inlet 240 forms an inclined surface inclined at a predetermined angle in the direction of the opposite end of the coolant inlet 210.
  • This structure is known to be relatively high cooling efficiency of the battery cells adjacent to the refrigerant inlet 210 compared to the medium-large battery pack 100 of FIG.
  • the two inclination angles A and B starting from opposite ends of the coolant inlet 310, are directed toward the coolant inlet 310.
  • the inclined plane angle B is formed larger than the inclined plane angle A of the opposite end of the refrigerant inlet 310, if the inclined plane angle B does not satisfy a specific condition, there is a problem in that the desired cooling efficiency is not obtained.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional schematic diagram of a medium-large battery pack mounted with a battery module in a battery pack case according to an embodiment of the present invention.
  • the pack case 370 has a length corresponding to the stacking direction L of the battery cells 330 relatively longer than a length corresponding to the width direction W of the battery cells 330. It is.
  • the refrigerant inlet 310 and the refrigerant outlet 320 are opposite to each other so that the refrigerant may flow from one side of the battery module 332 to the opposite side.
  • the pack case 370 In the upper and lower portions of the pack case 370, respectively.
  • a small flow path 360 through which the coolant moves is formed between the battery cells 330, so that the coolant flowing from the coolant inlet 310 moves through the flow path 360 to transfer heat generated from the battery cell 330. After removal, the refrigerant is discharged through the outlet 320.
  • the difference between the pack case 370 of FIG. 4 and the pack cases 70 and 270 disclosed in FIGS. 2 and 3 is that the inclination angle B of the coolant inlet 310 of the pack case 370 of FIG. It is larger than the inclination angle A of the inclined surface starting at the opposite end of the refrigerant inlet 310.
  • the width d of the refrigerant inlet 310 has a size of approximately 15% based on the battery cell stack 332, that is, the length l of the pack case corresponding to the length of the battery module.
  • the flow cross-sectional area of the coolant is determined by the coolant inlet.
  • the further away from the end 344 of the 310 is gradually reduced by the angle (A) of the inclined surface.
  • the movement speed of the refrigerant is gradually increased, but the flow rate of the refrigerant is reduced, and the refrigerant reaches the battery cells 330 located at a distance from the refrigerant inlet 310, and the battery cells adjacent to the refrigerant inlet 310 are separated from each other. All of the battery cells located far from the refrigerant inlet may be uniformly cooled.
  • the inclination angle A of the inclined surface has an inclination of approximately 4 degrees with respect to the top surface of the battery cell stack 332 and the inclination of the coolant inlet 310.
  • the angle B is formed on the upper inner surface 342 of the coolant inlet 340 with an inclination of approximately 20 degrees.
  • the width d of the refrigerant inlet is approximately 10% based on the length l of the battery pack case 370.
  • the battery pack case 370 has two inclined structures in which the inclination A of the opposite end of the coolant inlet 310 is smaller than the inclination B of the coolant inlet 310, the coolant flow rate is less than that of the coolant outlet. It is possible to prevent the phenomenon in which the 220 is located, it is possible to effectively prevent the temperature of the battery cells adjacent to the refrigerant inlet 210 to rise.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional schematic diagram showing a structure in which the opposite ends of the coolant inlets are spaced apart from the top surface of the battery cell stack in FIG. 4.
  • the opposite ends of the refrigerant inlets 410 are spaced apart from the top surface of the battery cell stack 432 by a height h of approximately 1 mm, so that the inclination angle B and the slope of the refrigerant inlets are Since only a limited amount of the refrigerant passing through the inclination angle A reaches the opposite end of the refrigerant inlet 410, the battery cells 430 adjacent to the opposite end may be prevented from being overcooled.
  • FIG. 6 is a graph showing a result of measuring a temperature change of a battery cell according to an inclination angle A of an inclined surface in the medium-large battery pack structure of FIG. 4.
  • FIG. 6 illustrates the temperature of battery cells stacked in the pack case 370 in the structure of the pack case 370 of FIG. 4 from the battery cell adjacent to the refrigerant outlet 370.
  • the measurement result to the battery cell located at 310 is shown. That is, battery cell number 1 denotes a battery cell adjacent to the refrigerant outlet, and battery cell number 35 denotes a battery cell adjacent to the refrigerant inlet.
  • the relative temperature ratio of the battery cell is expressed here as a relative value comparable in relation to the respective experimental results.
  • the temperature measurement experiment was carried out under a condition that a predetermined load is applied to the battery cell and the ambient air temperature is room temperature.
  • the inclination angle (B) of the refrigerant inlet port was experimented by arbitrarily setting 45 degrees.
  • the relative temperature ratio of the battery cell number 27 is 96% and the relative temperature ratio of the battery cell number 35 is 84%, resulting in a 12% temperature deviation between the battery cells.
  • the relative temperature ratio of the battery cell number 29 was 95% and the relative temperature ratio of the battery cell number 1 was 85%, resulting in a 10% temperature deviation between the battery cells.
  • the relative temperature ratio of battery cell No. 29 was 99% and the relative temperature ratio of battery cell No. 1 was 82%, resulting in a 17% temperature deviation between the battery cells. That is, when the inclination angle (B) of the coolant inlet is 45 degrees, surprisingly, when the inclination angle (A) of the inclined surface is 4 degrees, the temperature deviation was found to be the minimum as 10%.
  • FIG. 7 there is shown a graph illustrating a result of measuring a temperature change of a battery cell by varying an inclination angle A of an inclined surface under the same experimental conditions as in FIG. 6.
  • the inclination angle (A) of the inclined surface is 3 degrees
  • the relative temperature ratio of the battery cell number 26 is 96%
  • the relative temperature ratio of the battery cell number 1 is 84.5%
  • the temperature deviation between the battery cells is 11.5%.
  • the relative temperature ratio of battery cell number 29 is 95% and the relative temperature ratio of battery cell number 1 is 85%.
  • the relative temperature ratio of battery cell number 26 is 96%
  • the relative temperature ratio of battery cell number 1 is 84.5%, 11.5% of temperature variation occurred.
  • the inclination angle (B) of the refrigerant inlet when the inclination angle (A) of the inclined surface is 4 degrees, it appears that the temperature deviation is minimum as 10%, the inclination angle (A) of the inclined surface is 3 degrees and 5 In the case of degrees, the temperature deviation is 11.5%, respectively, and the temperature deviation gradually decreases as the inclination angle A of the inclined surface approaches 4 degrees, compared to the case where the inclination angle A of the inclined surface of FIG. 6 is 2.6 degrees and 9.3 degrees.
  • the inclination angle A of the inclined surface is preferably 3 to 5 degrees.
  • the temperature deviation gradually decreases as the inclination angle B of the refrigerant inlet decreases.
  • the rate of increase of the temperature deviation slightly increases when the inclination angle B of the coolant inlet is 60 degrees, the inclination angle B of the coolant inlet is more preferable when it is 20 degrees to 50 degrees.
  • the inclination width (d) of the coolant inlet port (d) compared to when the inclination width (d) of the coolant inlet is 20% based on the length (l) of the pack case, It can be seen that the temperature deviation is relatively small when) is 10% based on the length (l) of the pack case.
  • the relative temperature ratio of the battery cell No. 1 adjacent to the opposite end of the coolant inlet was 87% and the battery cell no. If the relative temperature ratio of 32 is 98%, and the temperature variation between the battery cells is 11%, and the inclination width d of the coolant inlet is 20% based on the length l of the pack case, the coolant is The relative temperature ratio of battery cell No. 1 adjacent to the opposite end of the inlet was 87%, and the relative temperature ratio of battery cell No. 25 was 97%, resulting in a 10% temperature deviation between the battery cells.
  • the inclination width (d) of the coolant inlet compared with when the inclination width (d) of the coolant inlet is 20% based on the length (l) of the pack case. It can be seen that the temperature deviation is relatively large when the size of the pack case is 10% based on the length l.
  • FIG. 12 shows a table showing the measurement results of FIGS. 6 to 9, and
  • FIG. 13 shows a table showing the measurement results of FIGS. 10 and 11.
  • the inclination angle B of the refrigerant inlet is 20 to 60 degrees due to the specific condition of the inner surface structure of the device on which the medium / large battery pack case is mounted
  • the inclination angle A of the inclined surface is in the range of 3 to 5 degrees. It can be seen that the one selected within is preferable in terms of uniformity of cooling.
  • the inclination angle B of the coolant inlet is 20 to 80 degrees in the medium-large battery pack case
  • the inclination angle A of the inclined surface is formed to 3 to 8 degrees, the temperature variation between the unit cells is minimized. It is possible to effectively remove the heat accumulated between the unit cells, and ultimately to significantly improve the performance and life of the battery.

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Abstract

충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개가 적층되어 있는 전지모듈이 내장되는 중대형 전지팩 케이스로서, 단위 셀들의 냉각을 위한 냉매가 셀 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구와 냉매 배출구가 상호 반대방향으로 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있고, 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있으며, 단위 셀 적층체의 상단부에 대면하는 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 단위 셀 적층체의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고, 상기 전지모듈을 포함한 중대형 전지팩 케이스가 장착되는 디바이스의 내면 구조에 대응하여, 상기 냉매 유입구는 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있으며, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도일 때, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 8도인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스를 제공한다.

Description

우수한 냉각 효율성의 중대형 전지팩 케이스
본 발명은 우수한 냉각 효율성의 중대형 전지팩 케이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개가 적층되어 있는 전지모듈이 내장되는 중대형 전지팩 케이스로서, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 상호 반대방향으로 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있고, 냉매 유입부과 냉매 배출부가 팩 케이스에 각각 형성되어 있으며, 단위 셀 적층체의 상단부에 대면하는 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 단위 셀 적층체의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고, 상기 냉매 유입구는 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있으며, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도일 때, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 8도로 이루어진 중대형 전지팩 케이스에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
한편, 다수의 전지셀들로 구성된 중대형 전지팩에서, 일부 전지셀의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 전지셀들 간의 냉각 불균일성에 의한 것이므로, 유로의 형상을 최적화하여 냉매의 유동시 온도 편차를 최소화할 수 있는 구조가 요구된다.
종래기술에 따른 중대형 전지팩들 중에는, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 상호 반대 방향으로 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고, 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간의 상면과 하면이 평행한 구조로 형성되어 있는 팩 케이스를 사용하는 경우가 있다. 그러나, 이러한 구조에서는, 유량이 냉매 배출구 근처의 전지셀들 사이의 유로에 많이 유입되는 경향이 나타나고, 냉매 유입구 근처의 유로에는 유량이 많이 감소하여 전지셀들 간의 온도 편차가 높다는 문제점을 가지고 있다.
이와 관련하여, 한국 특허출원공개 제2006-0037600호, 제2006-0037601호 및 제2006-0037627호에는 전지셀들의 대향면에 대하여 경사지게 형성되는 공기 가이드면이 냉매 유입구에서 멀어질수록 상기 전지셀들에 더 가까워지도록 하향 경사지게 설치되어 있는 중대형 전지팩이 제시되어 있다. 구체적으로, 전지셀들의 대향면에 대해 15 내지 45도의 범위에서 공기 가이드면을 일정한 기울기로 형성하고 냉매 유입구를 평행하게 형성함으로써, 냉매 배출구 근처의 전지셀 유로로 냉매가 몰리는 현상을 억제하고 있다.
그러나, 본 출원의 발명자들이 확인한 바로는, 냉매 유입구의 위치가 팩 케이스의 위치보다 상부에 위치하는 경우, 즉, 팩 케이스를 장착하는 디바이스의 구조상, 냉매 유입구의 기울기가 냉매 유입구의 대향 단부의 기울기보다 크게 형성된 팩 케이스를 포함하고 있는 중대형 전지팩의 경우, 상기와 같이 공기 가이드면의 기울기가 15 내지 45도의 범위일 때, 냉매 배출구 근처의 전지셀 유로로 냉매가 몰리는 현상을 억제할 수 없고, 이는 전지셀들간의 온도편차를 증가시켜 소망하는 냉각 균일성을 확보할 수 없음을 확인하였다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 중대형 전지팩 케이스에 대한 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도일 때, 경사면의 기울기 각도(A)를 3 내지 8도의 구조로 형성하는 경우, 놀랍게도, 온도 편차를 최소화하고, 그에 따라 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거하며, 전지의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지팩 케이스는, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개가 적층되어 있는 전지모듈이 내장되는 중대형 전지팩 케이스로서, 단위 셀들의 냉각을 위한 냉매가 셀 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구와 냉매 배출구가 상호 반대방향으로 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있고, 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있으며, 단위 셀 적층체의 상단부에 대면하는 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 단위 셀 적층체의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고, 상기 전지모듈을 포함한 중대형 전지팩 케이스가 장착되는 디바이스의 내면 구조에 대응하여, 상기 냉매 유입구는 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있으며, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도일 때, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 8도인 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 중대형 전지팩 케이스에서, 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 단위 셀 적층체의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고, 냉매 유입구가 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있는 구조로 형성되어 있어서, 디바이스에 대한 장착 조건에 따라 냉매 유입구의 위치가 팩 케이스의 위치보다 상부에 위치하는 경우에도 소망하는 수준의 냉각 효율성을 용이하게 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에서 제공하는 실험 결과에 따르면, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도인 경우, 상기 경사면의 기울기 각도(A)를 3 내지 8도로 형성하면, 냉매 유입구가 소정의 기울기를 가지는 경우 발생하는 단위 셀들 사이의 유로로 흐르는 냉매의 불균일성을 최소화할 수 있으므로, 단위 셀 들의 충방전시 발생하는 열의 편차를 적정 온도 이하로 줄일 수 있고, 이는 결과적으로, 전지모듈의 수명을 늘리고 단위 셀들의 작동 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, '양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면'이란, 냉매 유입구 쪽에 위치한 냉매 유입부의 상단 내면이 냉매 유입구의 대향 단부 쪽에 위치하는 냉매 유입부의 상단 내면보다 높은 위치에 있음을 의미한다.
또한, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 경사면의 기울기 각도(A)로 변곡되는 부위는, 냉매 유입구가 위치하는 팩 케이스의 단부로부터, 팩 케이스 길이의 10 내지 60%의 길이에 대응하는 거리 상에 위치할 수 있다. 이러한 기울기 각도의 변곡 부위는 각진 구조일 수도 있고, 완만한 구조일 수도 있다.
종래기술의 중대형 전지팩 케이스에서는, 냉매 유입부의 상단 내면보다 큰 각도로 냉매 유입구가 기울어진 구조가 고려되지 못하였다. 이는 아마도 냉매 유입구의 각도가 큰 경우에 냉매의 유입 방향이 상당 부분 영향을 받아 냉각 효율성을 기할 수 없다고 판단하였기 때문인 것으로 추측된다. 그러나, 중대형 전지팩이 디바이스에 장착되는 조건에 따라서는 냉매 유입구의 각도가 큰 구조가 불가피하게 요구될 수 있으며, 본 발명은 이러한 상황에서도 우수한 냉각 효율성을 발휘할 수 있는 특별한 조건을 제공한다.
본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 냉매 유입부의 상단 내면이 두 개의 경사면 구조, 즉, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도이고, 상기 경사면의 기울기 각도(A)가 3 내지 8도로 형성된 구조로 이루어진 경우, 냉매 유입부의 상단 내면이 단위 셀 적층체의 상단부와 평행하거나 또는 단일 기울기의 경사면 구조로 이루어진 경우와 비교하여, 단위 셀들 사이를 흐르는 냉매의 온도 편차를 줄여 냉각의 균일성을 더욱 향상시킨 것으로 확인되었다.
또한, 중대형 전지팩이 장착되는 디바이스의 조건에 의해 큰 냉매 유입구의 각도(B)를 필요로 하는 경우에도, 상기와 같은 특정의 냉매 유입부 상단 내면 구조에 의해 소망하는 냉각 균일성을 효과적으로 발휘할 수 있다.
예를 들어, 상기 디바이스가 하이브리드 전기자동차인 경우, 차량의 내부 구조에 따라 냉매 유입구의 각도를 달리하며 다양한 위치에 전지모듈을 내장한 중대형 전지팩 케이스가 장착될 수 있다. 이 경우 단위 셀들간의 온도편차를 최소할 수 있는 본 발명의 중대형 전지팩 케이스가 용이하게 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩 케이스에 장착되는 전지모듈은 다수의 단위 셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 단위 셀들을 일정한 간격으로 이격시켜 적층한다. 예를 들어, 전지셀 자체를 별도의 부재 없이 소정의 간격으로 이격시키면서 순차적으로 적층하거나, 또는 기계적 강성이 낮은 전지셀의 경우, 하나 또는 둘 이상의 조합으로 소정의 장착부재에 내장하고 이러한 장착부재들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다. 후자의 경우를 본 발명에서는 '단위모듈'로 칭한다.
다수의 단위모듈들을 적층하여 전지모듈을 구성하는 경우에는, 적층된 전지셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록, 냉매의 유로가 전지셀들 사이 또는 단위모듈들 사이에 형성되는 구조로 이루어진다.
상기 냉매 유입부 및 냉매 배출부는 전지셀들의 충방전에 따른 열의 발생을 효과적으로 냉각시키기 위한 냉매가 유입 및 배출될 수 있는 유동 공간으로서, 상호 반대방향으로 팩 케이스의 상부와 하부에 각각 형성되어 있다. 경우에 따라서는. 냉매 유입부와 냉매 배출부가 팩 케이스의 하부와 상부에 각각 형성될 수도 있다.
하나의 바람직한 예로서, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 5도로 이루어질 수 있다. 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 의하면, 놀랍게도 경사면의 기울기 각도(A)가 상기와 같은 범위를 가지는 경우, 단위 셀들 간의 온도 편차가 더욱 감소함을 확인할 수 있었다.
또 다른 바람직한 예로서, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 20 내지 50도로 형성될 수 있다. 일반적으로, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 작을수록 냉매 유입구로 유입된 냉매가 냉매 유입구의 대향 단부에 위치한 유로까지 보다 많이 이동할 수 있다. 그러나, 본 출원의 발명자들이 수행한 실험에 따르면, 경사면의 기울기 각도(A)가 3 내지 8도인 경우, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)를 20 내지 50도로 형성한 구조에서, 냉매의 온도 편차가 감소됨을 확인하였다.
또한, 냉매 유입부의 상단 내면을 앞서 언급한 바와 같은 특정 경사 구조로 형성한 경우 이외에, 냉매 유입구의 폭 또한 단위 셀들간 온도 편차에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
즉, 상기 냉매 유입구의 폭을 단위 셀 적층체의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 형성하는 경우, 디바이스의 장착 조건에 따라 발생하는 냉매의 온도 편차를 보다 효율적으로 감소시킬 수 있으며, 10 내지 20%의 크기로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 냉매 유입구는 폭이 균일한 구조가 일반적일 수 있지만, 폭이 변하는 구조일 수도 있다. 예를 들어, 냉매가 팩 케이스 내부로 유입되는 방향으로 기준으로, 냉매 유입구의 시(始)단부로부터 종(終)단부 쪽으로 폭이 증가하는 구조, 냉매 유입구의 시(始)단부로부터 종(終)단부 쪽으로 폭이 감소하는 구조 등이 모두 가능하다. 이 때, 상기에서 정의한 냉매 유입구의 폭은 평균적인 폭을 의미한다.
또한, 냉매 유입구의 전반적인 형상 역시 다양할 수 있는 바, 냉매 유입구가 직선 형상인 구조 뿐만 아니라, 굴곡진 형상의 구조도 가능하다. 이때, 상기에서 정의한 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는, 냉매가 팩 케이스 내부로 유입되는 방향으로 기준으로, 냉매 유입구의 종(終)단부의 기울기 각도를 의미한다.
상기 냉매 유입구의 대향 단부는 단위 셀 적층체의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 이격되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 냉매 유입구의 대향 단부에 도달하는 냉매의 양을 적절히 제한하므로, 단위 셀들에 대한 냉매의 균일한 분배 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 바람직하게는 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 1 내지 10 mm 정도 이격된 구조일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩 케이스는 냉각 효율성이 특히 문제가 되는 구조, 즉, 단위 셀의 적층방향에 대응하는 전지팩 케이스의 길이가 단위 셀의 폭 방향에 대응하는 길이보다 상대적으로 길게 형성되어 있는 구조에서 더욱 바람직하다.
상기 냉매 배출부는 단위 셀 적층체의 하단부에 대해 균일한 높이를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 단위 셀 적층체의 하단부에 대면하는 냉매 배출부의 하단 내면은 단위 셀 적층체의 하단과 균일한 높이를 가지는 구조로 이루어질 수 있다. 그러나, 냉매 배출의 효율성을 높이기 위해 일부 변형된 구조도 가능함은 물론이다.
경우에 따라서는, 상기 냉매 유입구 또는 냉매 배출구에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 신속하고 원활하게 냉매 배출구로 이동하여 전지팩 외부로 배출될 수 있도록, 바람직하게는, 송풍 팬이 추가로 장착될 수 있다. 이러한 구조에서, 송풍 팬에 의해 발생한 냉매의 유동 구동력에 의해, 좁은 유입구를 통해 유입된 냉매는 빠른 유속으로 유입구에서 멀리 떨어진 단위 셀까지 충분히 도달하여, 냉매의 유량이 동일한 조건에서 상대적으로 균일한 유량 분배 효과를 발휘한다.
본 발명은 또한, 상기 중대형 전지팩 케이스에 전지모듈이 장착되어 있는 구조의 중대형 전지팩을 제공한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "전지모듈"은 둘 또는 그 이상의 충방전 전지셀들 또는 단위모듈들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 전지모듈을 다수 개 연결한 대형 전지모듈의 구성도 가능하고, 전지셀들을 소수 연결한 단위모듈을 다수 개 연결한 구성도 가능하다.
한편, 상기 단위모듈의 구조는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으며, 바람직한 예를 하기에서 설명한다.
단위모듈은 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들의 연결부가 절곡되어 적층 구조를 이루고 있는 2 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 결합되는 고강도 셀 커버를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 판상형 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 전지셀이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
이러한 전지셀들은 2 또는 그 이상의 단위로 합성수지 또는 금속 소재의 고강도 셀 커버에 감싸인 구조로 하나의 단위모듈을 구성할 수 있는 바, 상기 고강도 셀 커버는 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 따라서, 궁극적으로 더욱 안전성이 우수한 중대형 전지모듈의 제조가 가능해 진다.
단위모듈 내부 또는 단위모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 전극단자들을 결합시킨 뒤, 2 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되게 접고 소정의 단위로 셀 커버에 의해 감쌈으로써 다수의 단위모듈들을 제조할 수 있다.
상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.
전극단자들이 상호 연결되어 있고 높은 밀집도로 충적된 다수의 전지셀 또는 단위모듈들은, 바람직하게는, 조립식 체결구조로 결합되는 상하 분리형의 케이스에 수직으로 장착되어 상기 장방형 전지모듈을 구성할 수 있다.
단위모듈과 이러한 단위모듈 다수 개를 사용하여 제조되는 장방형 전지모듈의 더욱 구체적인 내용은 본 출원인의 한국 특허출원 제2006-45443호와 제2006-45444호에 개시되어 있으며, 상기 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
본 발명에 따른 중대형 전지팩은 고출력 대용량의 달성을 위해 다수의 단위 셀들을 포함함으로써, 충방전시 발생하는 고열이 안전성 측면에서 심각하게 대두되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등의 전원에 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 중대형 전지팩 케이스에 전지모듈을 장착한 중대형 전지팩의 사시도이다;
도 2는 도 1의 중대형 전지팩의 수직 단면 모식도이다;
도 3은 또 다른 종래기술에 따른 중대형 전지팩 케이스에 전지모듈을 장착한 중대형 전지팩의 수직 단면 모식도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 케이스에 전지모듈을 장착한 중대형 전지팩의 수직 단면 모식도이다;
도 5는 도 4의 중대형 전지팩에서 냉매 유입구의 대향 단부가 전지셀 적층체의 상단면으로부터 이격된 구조를 나타내는 수직 단면 모식도이다;
도 6은 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 경사면의 기울기 각도(A)에 따른 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 7은 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 또 다른 경사면의 기울기 각도(A)에 따른 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 8은 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 9는 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 경사면의 기울기 각도(A)가 8도일 때, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 10은 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때, 냉매 유입구의 폭(d)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 11은 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 경사면의 기울기 각도(A)가 8도일 때, 냉매 유입구의 폭(d)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 12는 도 6 내지 도 9의 측정 결과를 나타낸 표이다;
도 13은 도 10 및 도 11의 측정 결과를 나타낸 표이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 종래의 중대형 전지팩 케이스에 전지모듈을 장착한 중대형 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 중대형 전지팩의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 중대형 전지팩(100)은 단위모듈(30) 6 개가 적층되어 전기적으로 연결되어 있는 전지모듈(32)과, 이러한 전지모듈(32)이 장착되는 팩 케이스(70), 냉매 유입구(10)로부터 전지모듈(32)에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부(40)와 전지모듈(32)로부터 냉매 배출구(20)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(50)로 구성되어 있다. 또한 1개의 단위모듈(30)은 4개의 전지셀들로 구성되어 있다.
냉매 유입구(10)로부터 유입된 냉매는 냉매 유입부(40) 및 단위모듈들(30) 사이에 형성된 유로(60)를 통과하면서 단위모듈들(30)을 냉각시키고 냉매 배출부(50)를 지나 냉매 배출구(20)를 통하여 외부로 배출된다.
냉매 유입부(40)는 단위모듈들(30)의 적층 방향에 평행하게 형성되어 있으며, 상기와 같은 구조의 경우, 유량이 냉매 배출구(20) 근처의 단위모듈들 사이의 유로에 많이 유입되는 경향이 나타나고, 냉매 유입구(10) 근처의 단위모듈들(30) 사이의 유로에는 유량이 많이 감소하여 단위모듈들(30) 간의 냉각이 불균일하고 냉매 배출구(20) 근처의 단위모듈들과 냉매 유입구(10) 근처의 단위모듈들은 높은 온도 편차를 가지게 된다. 이러한 현상은 유량이 냉매 배출구(20)가 있는 쪽으로 몰리면서 냉매 유입구(10) 측의 온도가 상승하기 때문이다.
도 3에는 또 다른 종래기술에 따른 중대형 전지팩 케이스에 전지모듈을 장착한 중대형 전지팩의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 3의 중대형 전지팩(200)은 냉매 배출부(250), 유로(260) 등이 도 1의 중대형 전지팩(100)과 실질적으로 동일하고, 팩 케이스(270)의 냉매 유입구(210)와 냉매 유입부(240)가 일정한 각도로 기울어져 있으며, 전지모듈(232)은 단위모듈 대신 전지셀들(230)을 적층하고 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 냉매 유입부(240)의 상단 내면(242)이 냉매 유입구(210)의 대향 단부 방향으로 일정한 각도로 기울어진 경사면을 이루고 있다.
이러한 구조는 도 1의 중대형 전지팩(100)과 비교하여, 냉매 유입구(210)에 인접한 전지셀들의 냉각 효율이 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다. 그러나, 도 4와 같이 디바이스의 장착 조건에 따라, 냉매 유입구(310)의 대향 단부에서 시작하여 냉매 유입구(310) 방향으로 2개의 기울기 각도들(A, B)을 가지고, 냉매 유입구(310)의 경사면 각도(B)가 냉매 유입구(310)의 대향 단부의 경사면 각도(A)보다 크게 형성된 경우에서, 경사면 각도(B)가 특정한 조건을 만족하지 못하면, 소망하는 냉각 효율을 얻지 못하는 문제점이 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 케이스에 전지모듈을 장착한 중대형 전지팩의 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 팩 케이스(370)는 전지셀들(330)의 적층 방향(L)에 대응하는 길이가 전지셀들(330)의 폭 방향(W)에 대응하는 길이보다 상대적으로 길게 형성되어 있다. 또한, 전지셀들(330)의 적층방향(L)에 수직한 방향으로, 냉매가 전지모듈(332)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구(310)와 냉매 배출구(320)가 상호 반대방향으로 팩 케이스(370)의 상부 및 하부에 각각 형성되어 있다.
전지셀들(330) 사이에는 냉매가 이동할 수 있는 작은 유로(360)가 형성되어 있어서, 냉매 유입구(310)로부터 유입된 냉매가 유로(360)를 통해 이동하면서 전지셀(330)에서 발생한 열을 제거한 후, 냉매 배출구(320)를 통해 배출되게 된다.
도 4의 팩 케이스(370)와 도 2 및 도 3에 개시되어 있는 팩 케이스(70, 270)의 차이점은, 도 4의 팩 케이스(370)에서 냉매 유입구(310)의 기울기 각도(B)가 냉매 유입구(310)의 대향 단부에서 시작하는 경사면의 기울기 각도(A) 보다 크다는 점이다. 또한, 냉매 유입구(310)의 폭(d)은 전지셀 적층체(332), 즉 전지모듈의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 대략 15%의 크기로 이루어져 있다.
냉매가 냉매 유입구(310)로부터 도입되어 냉매 유입구(310)의 기울기 각도(B)와 경사면의 기울기 각도(A)를 가진 냉매 유입부(340) 내부를 따라 이동할 때, 냉매의 유동 단면적은 냉매 유입구(310)의 단부(344)에서 멀어질수록 경사면의 각도(A)에 의해 점차 줄어들게 된다. 이 과정에서 냉매의 이동 속도는 점차 빨라지지만 냉매 유량은 감소하게 되어, 냉매가 냉매 유입구(310)로부터 먼 거리에 위치한 전지셀들(330)까지 도달하면서 냉매 유입구(310)와 인접한 전지셀들과 냉매 유입구로부터 먼 거리에 위치한 전지셀들 모두가 균일하게 냉각될 수 있다.
냉매의 균일성을 높여 온도 편차를 최소화할 수 있도록, 경사면의 기울기 각도(A)는 전지셀 적층체(332)의 상단면을 기준으로 대략 4도의 기울기를 가지고 있고, 냉매 유입구(310)의 기울기 각도(B)는 대략 20도의 기울기를 가지면서 각각 냉매 유입부(340)의 상단 내면(342)에 형성되어 있다. 또한, 냉매 유입구의 폭(d)은 대략 전지팩 케이스(370)의 길이(l)를 기준으로 10%의 크기로 형성되어 있다.
또한, 전지팩 케이스(370)는, 냉매 유입구(310)의 대향 단부의 기울기(A)가 냉매 유입구(310)의 기울기(B)보다 작은 2개의 경사진 구조로 이루어져 있으므로, 냉매 유량이 냉매 배출구(220)가 있는 쪽으로 몰리는 현상을 방지할 수 있어서, 냉매 유입구(210)에 인접한 전지셀들의 온도가 상승하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5에는 도 4의 중대형 전지팩에서 냉매 유입구의 대향 단부가 전지셀 적층체의 상단면으로부터 이격된 구조를 나타내는 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 냉매 유입구(410)의 대향 단부는 전지셀 적층체(432)의 상단면으로부터 대략 1 mm의 높이(h)로 이격되어 있어서, 냉매 유입구의 기울기 각도(B) 및 경사면의 기울기 각도(A)를 통과한 냉매 중 한정된 양의 냉매만이 냉매 유입구(410)의 대향 단부에 도달함으로써, 대향 단부에 인접한 전지셀들(430)이 과냉각되는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명과 관련하여, 도 6에는 도 4의 중대형 전지팩 구조에서 경사면의 기울기 각도(A)에 따른 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 6을 도 4와 함께 참조하면, 도 6은 도 4의 팩 케이스(370) 구조에서, 팩 케이스(370) 내에 적층되어 있는 전지셀들의 온도를 냉매 배출구(370)에 인접한 전지셀부터 냉매 유입구(310)에 위치한 전지셀까지 측정한 결과를 나타내고 있다. 즉, 전지셀 번호 1은 냉매 배출구에 인접한 전지셀을 나타내고, 전지셀 번호 35은 냉매 유입구에 인접한 전지셀을 의미한다. 참고로, 여기에서 전지셀의 상대 온도비율은 각각의 실험 결과와의 관계에서 비교 가능한 상대적인 값으로 표현되었다.
상기 온도 측정 실험은 전지셀에 소정의 부하를 인가하고 외기 온도가 상온인 조건에서 실시하였다. 또한, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 표준 각도로서 임의로 45도를 정하여 실험을 실시하였다. 실험 결과, 경사면의 기울기 각도(A)가 2.6도일 때, 전지셀 번호 27의 상대 온도비율이 96%, 전지셀 번호 35의 상대 온도비율이 84%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 12% 발생하였고, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때, 전지셀 번호 29의 상대 온도비율이 95%, 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 85%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 10% 발생하였으며, 경사면의 기울기 각도(A)가 9.3도일 때, 전지셀 번호 29의 상대 온도비율이 99%, 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 82%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 17% 발생하였다. 즉, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 45도인 경우, 놀랍게도 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때 온도 편차가 10%로서 최소인 것으로 나타났다.
도 7을 도 4와 함께 참조하면, 도 6과 동일한 실험조건에서 경사면의 기울기 각도(A)를 달리하여 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 실험 결과, 경사면의 기울기 각도(A)가 3도일 때, 전지셀 번호 26의 상대 온도비율이 96%, 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 84.5%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 11.5% 발생하였고, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때, 도 6의 설명에서 언급한 바와 같이, 전지셀 번호 29의 상대 온도비율이 95%, 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 85%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 10% 발생하였으며, 경사면의 기울기 각도(A)가 5도일 때, 전지셀 번호 26의 상대 온도비율이 96%, 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 84.5%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 11.5% 발생하였다.
즉, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 45도인 경우, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때 온도 편차가 10%로서 최소인 것으로 나타났고, 경사면의 기울기 각도(A)가 3도 및 5도일 때 온도 편차가 각각 11.5%로서, 도 6의 경사면의 기울기 각도(A)가 2.6도 및 9.3도인 경우와 비교하여, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도에 근접할수록, 온도 편차가 점차 작아짐을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 경사면의 기울기 각도(A)는 3도 내지 5도인 경우가 바람직함을 알 수 있다.
도 8을 도 4와 함께 참조하면, 도 6과 동일한 실험조건에서, 상기 도 6에서 최소의 온도편차를 보인 경사면의 기울기 각도(A)로서 4도를 임의로 정하여, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
실험 결과, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20도인 경우, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 83%, 전지셀 번호 29의 상대 온도비율이 91%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 8% 발생하였고, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 30도인 경우, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 83%, 전지셀 번호 31의 상대 온도비율이 92%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 9% 발생하였다. 또한, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 50도인 경우, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 83%, 전지셀 번호 30의 상대 온도비율이 92%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 10% 발생하였고, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 60도인 경우는, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 83%, 전지셀 번호 30의 상대 온도비율이 94.5%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 11.5% 발생하였다. 즉, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도인 경우, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 60도 일 때와 비교하여, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20도일 때 온도 편차가 상대적으로 작은 것을 알 수 있고, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 작을수록 온도편차가 점차 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 60도에서 온도편차의 증가율이 소폭 상승하므로, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 20도 내지 50도일 때 보다 바람직하다.
도 9를 도 4와 함께 참조하면, 도 6과 동일한 실험조건에서, 경사면의 기울기 각도(A)가 8도일 때, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)의 변화에 대한 단위모듈의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
실험 결과, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 30도인 경우, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 81%, 전지셀 번호 31의 상대 온도비율이 95%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 14% 발생하였고, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 60도인 경우는, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 81%, 전지셀 번호 29의 상대 온도비율이 97%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 16% 발생하였다. 즉, 경사면의 기울기 각도(A)가 8도인 경우, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 60도 일 때와 비교하여, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 30도일 때 온도 편차가 상대적으로 작다는 것을 알 수 있다.
한편, 도 10을 도 4와 함께 참조하면, 도 6과 동일한 실험조건에서, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때, 냉매 유입구의 폭(d)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
실험 결과, 냉매 유입구의 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 10%인 경우, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 86%, 전지셀 번호 30의 상대 온도비율이 93%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 7% 발생하였고, 냉매 유입구의 기울기 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 20%인 경우는, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 86%, 전지셀 번호 21의 상대 온도비율이 94%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 8% 발생하였다. 즉, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도인 경우, 냉매 유입구의 기울기 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 20%의 크기일 때와 비교하여, 냉매 유입구의 기울기 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 10%의 크기일 때 온도 편차가 상대적으로 작다는 것을 알 수 있다.
도 11을 도 4와 함께 참조하면, 도 6과 동일한 실험조건에서, 경사면의 기울기 각도(A)가 8도일 때, 냉매 유입구의 폭(d)의 변화에 대한 전지셀의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
실험 결과, 냉매 유입구의 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 10%의 크기인 경우, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 87%, 전지셀 번호 32의 상대 온도비율이 98%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 11% 발생하였고, 냉매 유입구의 기울기 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 20%의 크기인 경우는, 냉매 유입구의 대향 단부에 인접한 전지셀 번호 1의 상대 온도비율이 87%, 전지셀 번호 25의 상대 온도비율이 97%로서, 전지셀들 간의 온도 편차가 10% 발생하였다. 즉, 경사면의 기울기 각도(A)가 8도일 때에는 냉매 유입구의 기울기 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 20%의 크기일 때와 비교하여, 냉매 유입구의 기울기 폭(d)이 팩 케이스의 길이(l)를 기준으로 10%의 크기일 때 온도 편차가 상대적으로 크다는 것을 알 수 있다.
이는 결과적으로, 경사면의 기울기 각도(A)가 작은 경우, 냉매 유입구의 폭(d)은 작을수록 온도 편차가 줄어들고, 경사면의 기울기 각도(A)가 큰 경우, 냉매 유입구의 폭(d)은 클수록 온도 편차가 감소함을 알 수 있다.
도 12에는 도 6 내지 도 9의 측정 결과를 나타낸 표가 도시되어 있고, 도 13에는 도 10 및 도 11의 측정 결과를 나타낸 표가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 60도인 경우, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도일 때 전지셀들 간의 온도편차가 가장 작음을 알 수 있다. 또한, 경사면의 기울기 각도(A)가 4도인 경우, 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 작을수록 전지셀들 간의 온도편차를 최소화함을 알 수 있다.
따라서, 중대형 전지팩 케이스가 장착되는 디바이스의 내면 구조의 특정 조건에 의해 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 60도로 이루어지는 경우, 경사면의 기울기 각도(A)는 3도 내지 5도 사이의 범위 내에서 선택되는 것이 냉각의 균일성 측면에서 바람직함을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이 경사면의 기울기 각도(A)가 작을수록 냉매 유입구의 폭(d)이 작고, 경사면의 기울기 각도(A)가 클수록 냉매 유입구의 폭(d)이 큰 구조로 이루어지는 것이 전지셀들 간의 온도 편차를 최소화함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 중대형 전지팩 케이스에서 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도일 때, 경사면의 기울기 각도(A)를 3 내지 8도로 형성하는 경우, 단위 셀들 간의 온도 편차를 최소화할 수 있고, 단위 셀들 사이에 축적되는 열을 효과적으로 제거할 수 있으며, 궁극적으로 전지의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (11)

  1. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위 셀') 다수 개가 적층되어 있는 전지모듈이 내장되는 중대형 전지팩 케이스로서,
    단위 셀들의 냉각을 위한 냉매가 단위 셀 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구와 냉매 배출구가 상호 반대방향으로 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있고,
    냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있으며,
    단위 셀 적층체의 상단부에 대면하는 냉매 유입부의 상단 내면은, 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로, 단위 셀 적층체의 상단면에 대해 양(+)의 각도(A)로 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있고,
    상기 전지모듈을 포함한 중대형 전지팩 케이스가 장착되는 디바이스의 내면 구조에 대응하여, 상기 냉매 유입구는 상기 경사면의 각도(A)보다 큰 크기의 각도(B)로 기울어져 있으며,
    상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)가 20 내지 80도일 때, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 8도인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 경사면의 기울기 각도(A)는 3 내지 5도인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 기울기 각도(B)는 20 내지 50도인 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 폭은 단위 셀 적층체의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 단위 셀 적층체의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 1 내지 10 mm의 높이로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩 케이스는 단위 셀의 적층방향에 대응하는 길이가 단위 셀의 폭방향에 대응하는 길이보다 상대적으로 길게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출부는 단위 셀 적층체의 하단부에 대해 균일한 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구 또는 냉매 배출구에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있도록 송풍 팬이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩 케이스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 중대형 전지팩 케이스에 전지모듈이 장착되어 있는 구조의 중대형 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 또는 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기 자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 중대형 전지팩.
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