WO2015016564A1 - 냉매 유로를 포함하는 전지모듈 어셈블리 - Google Patents

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최지영
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Abstract

본 발명은 적층 계면에 냉매 유로가 형성되도록 지면으로부터 수직 방향으로 적층된 둘 이상의 단위모듈들을 포함하고 있고, 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 측면 방향으로 배열되어 있는 둘 이상의 서브모듈들; 서브모듈들이 탑재되는 베이스 플레이트; 서브모듈들의 측부에 장착되고, 냉매가 유입될 수 있는 하나 이상의 냉매 유입구를 포함하고 있는 측부 커버 플레이트들; 및 서브모듈들의 단부들을 상호 고정하고, 냉매 유로에 연통되는 냉매 배출구가 형성되어 있는 브라켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리를 제공한다.

Description

냉매 유로를 포함하는 전지모듈 어셈블리
본 발명은 냉매 유로를 포함하는 전지모듈 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단위셀들이 버스 바에 의해 전기적으로 연결된 상태에서 카트리지에 탑재되어 있는 단위모듈들을 포함하고 있는 전지모듈 어셈블리로서, 적층 계면에 냉매 유로가 형성되도록 지면으로부터 수직 방향으로 적층된 둘 이상의 단위모듈들을 포함하고 있고, 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 측면 방향으로 배열되어 있는 둘 이상의 서브모듈들; 상기 서브모듈들이 탑재되는 베이스 플레이트; 상기 서브모듈들의 측부에 장착되고, 냉매가 유입될 수 있는 하나 이상의 냉매 유입구를 포함하고 있는 측부 커버 플레이트들; 및 상기 서브모듈들의 단부들을 상호 고정하고, 상기 냉매 유로에 연통되는 냉매 배출구가 형성되어 있는 브라켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리에 관한 것이다.
이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.
또한, 전기를 저장해 두었다가 필요한 시점에 안정적으로 전력계통에 다시 공급해주는 전력 저장 장치에 관한 기술이 개발되고 있다. 전력 저장 장치는 전력 수요가 적을 때 에너지를 저장하고, 과부하 또는 비상시에 전력을 공급하는 장치로서, 전력 품질 및 에너지 사용 효율을 향상시키는 효과를 제공하고 있다. 특히, 가정용 전력 저장 장치 및 산업용 또는 상업용 중형 전력 저장 장치는 스마트 그리드 기술과 결부되어 시장규모가 급성장하고 있다.
따라서, 이차전지를 사용하는 애플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.
예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 소형 경량을 가진 전지셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈 또는 전지팩이 사용되고 있다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
한편, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다는 문제점을 가지고 있다. 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 초래한다. 더욱이, 이러한 과정에서 다양한 원인에 의해 일부 단위전지들이 과열될 경우에는 발화 또는 폭발할 가능성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 중대형 전지팩에서 냉각 시스템은 필수적이다.
중대형 전지팩의 냉각은 일반적으로 냉매의 유동에 의한 수행된다. 예를 들어, 공기 등과 같은 냉매를 냉각 팬에 의해 전지팩의 단위전지들 사이 또는 전지모듈 사이로 유동시키는 냉매-유동 냉각 시스템이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 방식은 몇가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 단위전지들 간의 온도 편차가 매우 크다는 문제점을 가지고 있다. 전지팩은 다수의 단위전지들로 구성되어 있고, 이들 단위전지들 각각이 최적의 작동 상태에 놓여 있을 때, 전체 전지팩의 작동 또한 최적의 작동 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 단위전지들 간의 큰 온도 편차는 전지의 열화를 촉진할 뿐만 아니라 전지팩 전체의 작동 상태를 최적화시키는데 큰 장애 요인이 된다.
둘째, 종래의 냉각 시스템 구조는 전지팩의 대형화를 초래하는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, EV, HEV 등에 탑재될 수 있는 전지팩의 크기는 일정한 한계를 가지고 있으므로, 대형화된 전지팩은 이에 부합하지 못한다.
도 1에는 종래의 대표적인 전지팩 냉각 시스템의 모식도가 도시되어 있다.
전지팩 냉각 시스템(10)은, 다수의 전지들로 구성된 전지팩(11), 전지팩(11)의 하단면에 설치된 냉매 유입부(12), 및 전지팩(11)의 상단면에 설치된 냉매 배출부(13)로 구성되어 있다. 전지팩(11)은 전기적으로 연결되어 있는 다수의 전지군(14)으로 이루어져 있고, 각각의 전지군(14)은 전기적으로 연결되어 있는 다수의 단위전지들(15)로 이루어져 있다. 각 전지군(14)의 단위전지들(15) 사이에는 냉매가 이동할 수 있을 수는 작은 틈이 형성되어 있어서, 유입부(12)로부터 들어온 냉매가 상기 틈을 통해 이동하면서 단위전지(15)에서 발생한 열을 제거한 후 전지팩(11) 상부의 배출부(13)를 통해 배출되게 된다.
이러한 구조에서는, 냉매 유입부(12)와 배출부(13)가 전지팩(11)의 상부와 하부에 각각 설치되므로, 그러한 냉매 유도 부재들의 설치를 위한 공간이 전지팩(11)의 상부와 하부에 각각 요구되며, 이는 전지팩 전체의 크기를 더욱 커지게 만드는 주요 요인이다.
이와는 별도로, EV, HEV 등과 같은 차량과 전력저장 장치 등은 다양한 조건에서 작동하는 상황에 자주 놓이게 된다. 전지팩을 구성하는 단위전지의 최적 작동 조건은 다양한 요인들에 의해 달라질 수 있지만, 일반적으로 특정한 온도범위에서 결정된다. 반면에, 겨울철에는 저온 상태에서 작동하게 되므로 전지팩을 상기와 같은 최적 작동 온도범위로 조절할 필요가 있다. 이 경우, 냉각 시스템의 작동을 정지시키거나 시스템으로 유입되는 냉매(e.g., 공기)의 온도를 높여 냉각 대신 승온 작동을 행할 수도 있다. 그러나, 그 이전에 단위전지가 매우 낮은 온도 상태에 놓이게 될 경우에는 전지 구성요소들의 손상이 유발될 수 있고, 또한 갑작스러운 승온 작동에 의해 열화가 촉진될 수도 있다.
따라서, 이러한 다양한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 통해, 특정한 구조의 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 측면 방향으로 배열되어 있는 서브모듈들, 냉매 유입구를 포함하고 있는 측부 커버 플레이트들 및 냉매 배출구가 형성되어 있는 브라켓을 포함하는 구조로 전지모듈 어셈블리를 구성함으로써, 전지모듈 어셈블리의 부피 증가를 억제함과 동시에 전지모듈 어셈블리의 향상된 냉각 효과 및 균일한 냉각 효과를 달성할 수 있는 구조의 전지모듈 어셈블리를 개발하고자 하였다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전지모듈 어셈블리를 콤팩트(compact) 한 구조로 조립할 수 있고, 전지모듈의 냉각 효율성의 향상을 위한 추가적인 부품의 구성이 필요치 않도록 하여, 상기 콤팩트 한 구조와 더불어 생산 공정의 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있는 냉각 효율성 향상된 구조의 전지모듈 어셈블리를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는,
단위셀들이 버스 바에 의해 전기적으로 연결된 상태에서 카트리지에 탑재되어 있는 단위모듈들을 포함하고 있는 전지모듈 어셈블리로서,
적층 계면에 냉매 유로가 형성되도록 지면으로부터 수직 방향으로 적층된 둘 이상의 단위모듈들을 포함하고 있고, 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 측면 방향으로 배열되어 있는 둘 이상의 서브모듈들(sub-modules);
상기 서브모듈들이 탑재되는 베이스 플레이트(base plate);
상기 서브모듈들의 측부에 장착되고, 냉매가 유입될 수 있는 하나 이상의 냉매 유입구를 포함하고 있는 측부 커버 플레이트들(side cover plates); 및
상기 서브모듈들의 단부들을 상호 고정하고, 상기 냉매 유로에 연통되는 냉매 배출구가 형성되어 있는 브라켓(bracket);
을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 상기와 같은 특정한 구조의 냉매 유로를 제공함으로써, 전지모듈 어셈블리의 부피 증가를 억제함과 동시에 전지모듈 어셈블리의 향상된 냉각 효과 및 균일한 냉각 효과를 달성할 수 있다.
또한, 전지모듈 어셈블리를 콤팩트 한 구조로 조립할 수 있고, 전지모듈의 냉각 효율성의 향상을 위한 추가적인 부품의 구성이 필요치 않도록 하여, 상기 콤팩트 한 구조와 더불어 생산 공정의 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀은, 판상형 전지셀이거나, 또는 전극단자들이 노출된 상태로 둘 이상의 판상형 전지셀들이 셀 커버에 장착되어 있는 전지셀 어셈블리 구조일 수 있다.
상기 전지셀은 각형 이차전지 또는 파우치형 이차전지일 수 있다.
상기 각형 이차전지는 각형의 금속 케이스에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조일 수 있고, 상기 파우치형 이차전지는 구체적으로 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 이차전지는 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 및 출력 안정성의 리튬 이차전지일 수 있다. 이러한 리튬 이차전지의 기타 구성 요소들에 대하여 이하에서 상세히 설명한다.
일반적으로 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 리튬염 함유 비수 전해액 등으로 구성되어 있다.
양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 충진제를 더 첨가하기도 한다. 음극은 또한 음극 집전체 상에 음극 활물질과 바인더의 혼합물을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 더 포함될 수도 있다.
상기 분리막은 음극과 양극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 비수 전해액과 리튬염으로 이루어져 있으며, 비수 전해액으로는 액상 비수 전해액, 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 집전체, 전극 활물질, 도전재, 바인더, 충진제, 분리막, 전해액, 리튬염 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이러한 리튬 이차전지는 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 즉, 양극과 음극 사이에 다공성 분리막을 개재하고 전해액을 주입하여 제조할 수 있다.
양극은, 예를 들어, 앞서 설명한 리튬 전이 금속 산화물 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 음극은, 예를 들어, 앞서 설명한 탄소 활물질과 도전재 및 결합제를 함유한 슬러리를 얇은 집전체 위에 도포한 후 건조하여 제조할 수 있다.
상기 단위셀의 예들 중의 하나인 전지셀 어셈블리에서, 셀 커버는 전극단자 부위를 제외하고 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 외장 부재로 구성될 수 있다. 이러한 셀 커버에는, 예를 들어, 2개의 전지셀들이 장착될 수 있고, 상기 2개의 전지셀들은 동일 극성의 전극단자들이 서로 접하면서 병렬 연결되도록 적층된 구조로 전지셀 어셈블리를 형성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단위모듈의 단위셀들은 상호 병렬 연결되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 단위셀들은 전극단자들이 대면하도록 카트리지 상에 장착되어 있고, 상기 카트리지에 장착되어 있는 전지셀 연결용 버스 바들에 의해 전극단자들이 병렬로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 카트리지는 소정의 강성을 가진 전기절연성의 부재로서, 외부의 충격으로부터 단위셀들을 보호하고, 단위셀들의 안정적인 장착을 보장한다. 또한, 카트리지에 의해 상기 단위셀들은 전극단자들이 대면하도록 배열됨으로써, 버스 바들에 의한 전기적 병렬 연결을 더욱 용이하게 할 수 있다.
상기 단위셀들의 전극단자 연결부들 사이에는 상기 전극단자 연결부들을 카트리지에 정위치 고정하기 위한 고정부재가 추가로 장착될 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 고정부는, 전극단자 연결부들 사이의 형상에 대응하는 외면 형상을 가지고 중앙에 관통홈에 형성되어 있으며 카트리지 상에 장착되는 전기절연성의 돌출부, 및 상기 관통홈에 삽입되어 돌출부를 카트리지에 결합하는 체결부를 포함하는 구조일 수 있다.
따라서, 외부 충격의 인가 시에도 단위셀들이 카트리지에 안정적으로 고정 장착될 수 있다.
또한, 상기 카트리지의 양 측면에는 체결홈을 구비한 돌출부들이 형성되어 있고, 상기 체결홈을 관통하는 체결부재에 의해 카트리지들이 상호 결합되어 서브모듈을 형성하고 있는 구조일 수 있다. 따라서, 상기 단위셀들은 카트리지에 의해 고정됨과 동시에 카트리지들이 상기 체결홈에 의해 상호 결합되어 체결될 수 있으므로, 더욱 견고하고 안정적인 고정 효과를 달성할 수 있다. 상기 체결홈들을 통해 달성되는 카트리지들의 체결은, 예를 들어, 체결홈을 관통하는 볼트 등에 의한 체결일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
하나의 구체적인 예에서, 단위셀 연결용 버스 바는 전극단자가 결합되어 있는 면의 일측 단부가 상향 또는 하향 절곡되어 있고, 상기 절곡된 일측 단부와 접속부재가 결합되어, 인접한 단위모듈과 전기적 연결을 이루는 구조일 수 있다.
또한, 상기 서브모듈에서 단위모듈들은 직렬 연결 또는 병렬 연결되는 구조일 수 있는 바, 예를 들어, 상기 접속부재의 장착위치를 동일하게 하고 단위모듈들의 적층 구조를 달리하여 병렬 연결 구조를 달성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 측부 커버 플레이트에는 냉매가 유입될 수 있는 하나 이상의 냉매 유입구들이 형성되어 있을 수 있다.
앞서 정의한 바와 같이, 상기 서브모듈에서 단위모듈들은 적층 계면에 냉매 유로가 형성되도록 적층되어 있고, 상기 서브모듈들은 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 배열되어 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 측부 커버 플레이트는, 서브모듈들의 베이스 플레이트 및 상부 커버 플레이트에 장착 고정할 수 있도록 서브모듈의 측부에 장착되는 부재로서, 상기 서브모듈들의 측부를 감싸는 본체부; 상기 본체부의 양단에 서브모듈들의 감싸는 형태로 절곡되어 연장된 구조로 형성되어 있고, 서브모듈들과 체결 고정되는 고정부; 및 상기 본체부의 일측 단부에 형성된 손잡이;를 포함하고 있고, 상기 본체부에 냉매 유입구들이 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 유입구의 형상은 냉매가 통과할 수 있는 형상이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 평면상으로 원, 타원, 다각형 또는 슬릿(slit) 형상일 수 있다.
더욱 구체적인 예로서, 상기 유입구는 둘 이상의 제 1 유입구를 포함하는 제 1 유입구군 및 둘 이상의 제 2 유입구를 포함하는 제 2 유입구군을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 유입구군은 냉매가 전지모듈 어셈블리로 유입되는 방향을 기준으로 전지모듈 어셈블리 전면 방향에 위치하고, 상기 제 2 유입구군은 전지모듈 어셈블리의 후면 방향에 위치하는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 제 1 유입구의 크기와 제 2 유입구의 크기를 달리하여, 이들 유입구를 통해 유입되는 냉매의 양(volume)을 조절할 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 제 2 유입구의 면적은 제 1 유입구의 면적 대비 110 내지 300% 더 큰 구조일 수 있다.
따라서, 이러한 구조의 제 1 유입구 및 제 2 유입구를 포함하는 전지모듈 어셈블리는, 전지모듈 어셈블리 전면부 및 후면부에 유입되는 냉매의 유량을 균일하게 조절할 수 있다. 구체적으로, 유입구들의 위치가 차이가 있음에도 불구하고, 전지모듈 어셈블리 후면 방향에 위치하는 제 2 유입구로 유입되는 냉매의 양과 전지모듈 어셈블리 전면 방향에 위치하는 제 1 유입구로 유입되는 냉매의 양을 실질적으로 동일하게 한다. 결과적으로, 냉매 유입구에 근접하여 장착된 단위모듈과 이보다 더 멀게 장착된 단위모듈과의 온도 편차를 현저히 줄일 수 있으며, 전지모듈 어셈블리 전체의 균일한 냉각 효과를 달성할 수 있다.
상기 브라켓에는 상기 냉매 유로에 연통되는 냉매 배출구가 형성되어 있을 수 있으며, 구체적으로, 상기 서브모듈들 사이의 냉매 유로는 평면상으로 브라켓의 냉매 배출구와 일직선 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉매 유입구로 유입된 냉매는 단위모듈 적층 계면에 형성된 냉매 유로를 따라 유동하며 단위모듈의 열을 제거한 후 서브모듈 사이의 냉매 유로로 유입되고, 전지모듈 어셈블리 후면에 형성된 냉매 배출구로 빠져나가게 된다. 이러한 냉매의 흐름을 평면상으로 표현하면 전체적으로 T 자형 냉매 흐름 구조를 갖게 된다.
냉매 배출구의 위치에 송풍기(fan) 또는 배출 덕트(duct)가 추가로 장착되어 냉각 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 브라켓은, 상기 서브모듈들 사이에 소정의 이격 공간이 유지될 수 있도록 상호 고정할 수 있는 부재로서, 판상형 본체부, 고정부, 및 상기 본체부 중앙에 관통되어 형성되어 있는 냉매 배출구를 포함하고 있고, 상기 본체부는 서브모듈들의 후면 요철구조와 대응하는 형상의 요철부가 양단에 형성되어 있고, 상기 고정부에는 서브모듈들의 후면에 체결 고정될 수 있는 체결구가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 구조의 전지모듈 어셈블리는, 단위모듈들의 적층 계면에 냉매 유로가 형성되어 있고, 이러한 냉매 유로에 냉매를 공급하는 냉매 유입구가 측부 커버 플레이트에 형성되어 있으며, 단위모듈들을 냉각시킨 냉매의 배출구가 서브모듈들의 후면에 위치하는 브라켓에 형성되어 있으므로, 전지모듈 어셈블리를 구성하고 있는 단위모듈들의 냉각을 균일하게 수행할 수 있다. 따라서, 향상된 효율성으로 전지모듈 어셈블리의 전체적인 냉각효과를 달성할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지모듈 어셈블리는,
상기 서브모듈들의 상면에 탑재되고, 서브모듈들 및 측부 커버플레이트와 체결 결합되는 상부 커버 플레이트(upper cover plate); 및
냉매의 유입 방향을 기준으로 상기 서브모듈들의 전면에 장착되고, 서브모듈들, 베이스 플레이트 및 측부 커버 플레이트에 체결 결합되는 전면 커버 플레이트(front cover plate);를 더 포함하는 구조일 수 있다.
상기 상부 커버 플레이트는, 예를 들어, 소정의 강성 및 탄성을 가진 판재로 제작될 수 있는 바, 서브모듈들을 하나로 일체화 시킴과 동시에 외부로부터의 충격으로부터 보호하는 효과를 달성할 수 있다.
상기 상부 커버 플레이트는 기계 가공에 의해 제작되는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적인 예로서, 프레스 성형법에 의해 제작될 수 있다.
상기 상부 커버 플레이트 및 베이스 플레이트의 자체 강성을 향상시킬 수 있도록, 바람직하게는, 외부 표면에 요철구조의 보강 비드(bead)가 형성될 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 상부 커버 플레이트 및 베이스 플레이트는 서브모듈들과 체결 결합되기 위한 체결홈을 추가로 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 서브모듈들은 상부 커버 플레이트 및 베이스 플레이트와 체결됨과 동시에 고정될 수 있으므로, 더욱 견고하고 안정적인 고정 효과를 달성할 수 있다. 또한, 상기 체결구들을 통해 달성되는 서브모듈들과 상부 커버 플레이트 및 베이스 플레이트와의 체결은, 바람직하게는, 볼트 등에 의한 체결일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈 어셈블리를 전원으로 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 구체적으로, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치, 비상용 전원장치, 전산실 전원장치, 휴대용 전원장치, 의료설비 전원장치, 소화설비 전원장치, 경보설비 전원장치 또는 피난설비 전원장치일 수 있지만, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
이러한 디바이스의 구조 및 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 종래기술의 전지팩 냉각 시스템을 일부 투시 상태로 보여주는 모식도이다;
도 2는 본 발명에 따른 파우치형 전지셀의 사시도이다;
도 3은 도 1의 전지셀들이 셀 커버에 장착된 구조의 단위셀에 대한 사시도이다;
도 4는 도 2의 단위셀이 카트리지에 장착되어 하나의 단위모듈을 구성하는 형상을 나타낸 사시도이다;
도 5는 본 발명에 따른 단위모듈의 평면도이다;
도 6은 본 발명에 따른 단위모듈의 측면도이다;
도 7은 본 발명에 따른 단위모듈들이 적층되는 형상을 나타낸 사시도이다;
도 8은 도 7의 부분 확대도 이다;
도 9는 본 발명에 따른 서브모듈에 직렬 접속부재 및 외부 입출력 단자용 버스 바가 장착된 형상을 나타낸 사시도이다;
도 10은 도 9의 서브모듈에 외부 입출력 단자 보호부재 및 직렬 접속부 보호부재가 장착된 형상을 나타낸 사시도이다;
도 11은 도 10의 측면도이다;
도 12는 도 10의 서브모듈에 측부 커버 플레이트가 장착되는 형상을 나타낸 사시도이다;
도 13은 본 발명에 따른 측부 커버 플레이트의 평면도이다;
도 14는 본 발명에 따른 두 개의 서브모듈들을 측부 커버 플레이트 및 브라켓으로 고정하는 형상을 나타낸 사시도이다;
도 15는 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리의 냉매 흐름을 나타내는 평면도이다;
도 16 및 도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리의 냉매 흐름을 나타내는 평면도이다;
도 18는 본 발명에 따른 두 개의 서브모듈들을 메인 버스 바로 상호 전기적으로 연결함과 동시에 고정하고, 베이스 플레이트, 상부 커버 플레이트 및 전면 커버 플레이트가 장착되는 형상을 나타낸 사시도이다;
도 19는 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리의 사시도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명에 따른 파우치형 전지셀의 사시도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지셀(20)은 전극 단자들(양극단자 21, 음극단자 22)이 일측 단부에 형성되어 있는 판상형 전지셀(20)이다. 구체적으로 판상형 전지셀(20)은 금속층(도시하지 않음)과 수지층(도시하지 않음)을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 케이스(23)에 전극조립체(도시하지 않음)를 내장하고, 예를 들어, 열융착에 의해 실링부(24)를 형성한 구조이며, 통상적으로 이를 파우치형 전지셀로 통칭하기도 한다.
도 3에는 도 2의 전지셀들이 셀 커버에 장착된 구조의 단위셀(전지셀 어셈블리)에 대한 사시도가 도시되어 있다.
도 3을 도 2와 함께 참조하면, 2개의 전지셀들(20)이 상부 셀 커버(111) 및 하부 셀 커버(112)로 구성된 셀 커버(111, 112)에 수납 및 고정되어 있다. 전지셀들(20)의 전극 단자들(21, 22)은, 각각 전기적으로 병렬 연결되어 두 개의 전극 단자들(110a, 110b)을 형성할 수 있도록, 셀 커버로부터 일측 방향으로 노출되어 있다.
도 4에는 도 3의 단위셀이 카트리지에 장착되어 하나의 단위모듈을 구성하는 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있고, 도 5 및 도 6에는 본 발명에 따른 단위모듈의 평면도 및 측면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 2개의 단위셀들(110)은 카트리지(120)에 장착되어 하나의 단위모듈(100)을 구성한다. 단위셀들(110)은 각각의 양극단자(110a)와 음극단자(110b)가 서로 마주보도록 배열되어 있다. 또한, 이들 전극단자들(110a, 110b)은 각각 버스 바(130)에 의해 전기적으로 병렬 연결되어 있다.
구체적으로, 버스 바(130)는 전극단자들(110a, 110b)과 전기적으로 결합되어 있고, 버스 바(130)의 일측 단부에는 하향 절곡된 절곡부(131)가 형성되어 있으며, 절곡부에는 체결구(132)가 형성되어 있다. 이러한 체결구(132)는 단위모듈(100)이 다수 개 적층될 때 단위모듈들(100) 상호간의 전기적 연결을 위한 체결구(132)로 사용된다 (도 7 및 도 8 참조).
또한, 카트리지(120)의 양 측면에는 체결홈(122)을 구비한 돌출부들(121)이 형성되어 있다. 이러한 돌출부(121)는 체결홈(122)을 관통하는 체결부재(도 7의 123)에 의해 단위모듈들(100)이 상호 결합될 수 있다.
돌출부(121)의 높이는 카트리지(120)의 높이보다 110 내지 150% 크게 형성되어 있다. 따라서, 단위모듈들(100)이 적층될 때 단위모듈(100) 적층 계면에 소정의 간극(도 11의 170)이 생기게 되며, 이러한 간극(도 11의 170)은 냉매가 유동할 수 있는 냉매 유로로 활용될 수 있다.
도 7에는 본 발명에 따른 단위모듈들이 적층되는 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 단위모듈들(100)은 지면으로부터 수직 적층되어 하나의 서브모듈(200)을 구성하고 있다. 구체적으로, 각 단위모듈들(100)은 수직 적층된 후, 양 측면에 형성된 돌출부들에 체결부재(123)가 삽입되어 상호 결합된다.
도 8에는 도 7의 부분 확대도가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명에 따른 서브모듈(200)에 접속부재들(140) 및 외부 입출력 단자용 버스 바들(151, 152)이 장착된 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 단위모듈들(100)은 서로 교번 배열된 상태로 적층되고 접속부재들(140)에 의해 전기적으로 직렬 연결되어 있다. 또한, 직렬 연결된 단위모듈들(100)을 외부 입출력 단자들(161, 162)과 전기적으로 연결할 수 있도록 외부 입출력 단자용 버스 바들(151, 152)이 장착되어 있다.
도 10에는 도 9의 서브모듈에 외부 입출력 단자 보호부재 및 직렬접속부 보호부재가 장착된 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 10을 도 9과 함께 참조하면, 서브모듈(200)의 외부 입출력 단자(161)는 외부 입출력 단자 보호부재(165)가 장착됨으로써 외부로부터 보호되고 있다. 또한, 단위모듈들(100)이 전기적으로 직렬 연결되어 있는 직렬접속부 역시 직렬접속부 보호부재(145)가 장착됨으로써 외부로부터 보호되고 있다.
도 11에는 도 10의 측면도가 도시되어 있다.
도 11을 도 6와 함께 참조하면, 서브모듈(200)을 구성하고 있는 단위모듈들(100)의 적층 계면에는 소정의 간극들(170)이 형성되어 있다. 이러한 간극들(170)은 냉매가 유동할 수 있는 냉매 유로로 활용될 수 있다.
도 12에는 도 11의 서브모듈에 측부 커버 플레이트가 장착되는 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있고, 도 13에는 측부 커버 플레이트의 평면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 측부 커버 플레이트(300)는, 서브모듈(200)의 측부를 감싸는 본체부(310)를 포함하고 있고, 본체부(310)에는 냉매가 외부로부터 유입될 수 있는 냉매 유입구들(311a, 311b)이 천공되어 있다. 또한, 본체부(310)의 양단에는 서브모듈(200)을 감싸는 형태로 절곡되어 연장된 구조의 절곡부(320)가 형성되어 있다.
또한, 측부 커버 플레이트(300)의 본체부(310) 및 절곡부(320)에는 서브모듈(200)과 체결 고정되는 고정부들(312, 321)이 형성되어 있고, 본체부(310)의 일측 단부에는 손잡이(330)가 형성되어 있다.
구체적으로, 본체부(310)에 형성된 냉매 유입구들(311a, 311b)은, 전지모듈 어셈블리의 전면 방향(B)에 위치한 제 1 유입구군(311A)과, 전지모듈 어셈블리의 후면 방향(C)에 위치한 제 2 유입구군(311B)으로 구성되어 있다. 또한, 제 2 유입구들(331b) 각각의 면적은 제 1 유입구들(331a) 각각의 면적 대비 150 내지 200 % 더 크게 형성되어 있다.
따라서, 이러한 구조의 유입구들을 포함하는 전지모듈 어셈블리는, 전지모듈 어셈블리 전면부 및 후면부에 유입되는 냉매의 유량을 균일할 수 있다.
도 14에는 2개의 서브모듈들을 측부 커버 플레이트 및 브라켓으로 고정하는 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 2개의 서브모듈들(200)은 후면에 브라켓(500)이 장착되어 상호 결합되어 있다.
브라켓(500)은 판상형 본체부(510), 고정부(520), 및 본체부(510) 중앙에 관통되어 형성되어 있는 냉매 배출구(530)를 포함하고 있다. 본체부(510)에는 서브모듈들(200)의 후면 요철구조와 대응하는 형상의 요철부(511)가 양단에 형성되어 있고, 고정부(520)에는 서브모듈들(200)의 후면에 체결 고정될 수 있는 체결구들이 형성되어 있다.
도 15에는 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리의 냉매 흐름을 나타내는 평면도가 도시되어 있고, 도 16에는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다.
우선, 도 15를 도 14와 함께 참조하면, 서브모듈들(200)은 후면에 장착된 브라켓(500) 및 전면에 장착된 메인 버스 바(도 18의 400)에 의해 중앙부에 냉매(도시하지 않음)가 유동할 수 있는 냉매 유로(250)가 형성되어 있다. 따라서, 냉매는 측부 커버 플레이트(300)로부터 유입되어 서브모듈들(200)에 내장된 전지셀(도시하지 않음)을 냉각시킨 후 중앙 냉매 유로(250)를 따라 브라켓(500)에 형성된 냉매 배출구(530)로 배출될 수 있다.
한편, 측부 커버 플레이트(300)로부터 유입되는 냉매의 유량은, 측부 커버 플레이트(300)의 본체부(310)에 형성되어 있는 냉매 유입구들(311a, 311b)의 크기에 따라 결정된다. 전지모듈 어셈블리 후면 방향(C)에 위치한 제 2 유입구들(331b)의 크기는 전지모듈 어셈블리 전면 방향(B)에 위치한 제 1 유입구들(331a)의 크기보다 커서, 냉매 배출구로부터의 거리 차이에도 불구하고 전체적으로 동일한 냉매 유량을 제공한다.
경우에 따라서는, 도 16에서 보는 바와 같이, 냉매 배출구가 형성된 브라켓(500) 위치에 송풍기(fan: 550) 또는 배출 덕트(duct, 도시하지 않음)를 장착하여 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 17에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리의 냉매 흐름을 나타내는 평면도가 도시되어 있다.
도 17을 도 14 및 도 15와 함께 참조하면, 전지모듈 어셈블리에 외부 케이스(901)가 추가로 장착되는 점을 제외하고, 나머지 구조는 도 15에 도시된 전지모듈 어셈블리의 구조와 동일하다.
구체적으로, 외부 케이스(901)에는 내부에 수납된 전지모듈 어셈블리에 냉매를 공급할 수 있는 냉매 유입구들(901, 902)이 양단에 형성되어 있다. 냉매 유입구들(901, 902)로부터 유입된 냉매는 측부 커버 플레이트(300)로 유입되고 서브모듈들(200)에 내장된 전지셀(도시하지 않음)을 냉각시킨 후 중앙 냉매 유로(250)를 따라 브라켓(500)에 형성된 냉매 배출구(530)로 배출된다.
도 18에는 2개의 서브모듈들을 메인 버스 바로 상호 전기적으로 연결함과 동시에 고정하고, 베이스 플레이트, 상부 커버 플레이트 및 전면 커버 플레이트가 장착되는 형상을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 18을 참조하면, 2개의 서브모듈들(200)의 각 외부 입출력 단자들(162, 161)은 메인 버스 바(400)에 의해 전기적으로 직렬 연결되어 있다. 또한, 2개의 서브모듈들(200)은 메인 버스 바(400)에 의해 소정의 거리만큼 이격될 수 있도록 고정되어 있다.
또한, 2개의 서브모듈들(200)은 베이스 플레이트(600) 상에 탑재된 후, 상부면은 상부 커버 플레이트(700)에 의해 보호되고, 전면은 전면 커버 플레이트(800)에 의해 보호된다.
도 19에는 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리의 사시도가 도시되어 있다.
도 19를 도 18과 함께 참조하면, 상부 커버 플레이트(700) 및 베이스 플레이트(600)에는, 외부 표면에 자체 강성 향상을 위한 요철구조의 보강 비드들(750, 650)이 형성되어 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는, 특 특정구조의 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 측면 방향으로 배열되어 있는 서브모듈들, 냉매 유입구를 포함하고 있는 측부 커버 플레이트들 및 냉매 배출구가 형성되어 있는 브라켓을 포함하는 구조로 전지모듈 어셈블리를 구성함으로써, 전지모듈 어셈블리의 부피 증가를 억제함과 동시에 전지모듈 어셈블리의 향상된 냉각 효과 및 균일한 냉각 효과를 달성할 수 있다. 또한, 전지모듈 어셈블리를 콤팩트(compact) 한 구조로 조립할 수 있고, 전지모듈의 냉각 효율성 향상을 위한 추가적인 부품의 구성이 필요치 않도록 하여, 상기 콤팩트 한 구조와 더불어 생산 공정의 효율성 증대 효과를 함께 달성할 수 있다.

Claims (20)

  1. 단위셀들이 버스 바에 의해 전기적으로 연결된 상태에서 카트리지에 탑재되어 있는 단위모듈들을 포함하고 있는 전지모듈 어셈블리로서,
    적층 계면에 냉매 유로가 형성되도록 지면으로부터 수직 방향으로 적층된 둘 이상의 단위모듈들을 포함하고 있고, 냉매 유로를 제공할 수 있도록 상호 이격된 상태로 측면 방향으로 배열되어 있는 둘 이상의 서브모듈들(sub-modules);
    상기 서브모듈들이 탑재되는 베이스 플레이트(base plate);
    상기 서브모듈들의 측부에 장착되고, 냉매가 유입될 수 있는 하나 이상의 냉매 유입구를 포함하고 있는 측부 커버 플레이트들(side cover plates); 및
    상기 서브모듈들의 단부들을 상호 고정하고, 상기 냉매 유로에 연통되는 냉매 배출구가 형성되어 있는 브라켓(bracket);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은, 판상형 전지셀이거나, 또는 전극단자들이 노출된 상태로 둘 이상의 판상형 전지셀들이 셀 커버에 장착되어 있는 전지셀 어셈블리인 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형 이차전지 또는 파우치형 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 파우치형 이차전지는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 셀 커버는 전극단자 부위를 제외하고 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 외장 부재인 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈에서 단위셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 단위셀들은 전극단자들이 대면하도록 카트리지 상에 장착되어 있고, 상기 카트리지에 장착되어 있는 버스 바들에 의해 전극단자들이 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지의 양 측면에는 체결홈을 구비한 돌출부들이 형성되어 있고, 상기 체결홈을 관통하는 체결부재에 의해 카트리지들이 상호 결합되어 서브모듈을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 서브모듈에서 단위모듈들은 직렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 버스 바는 전극단자가 결합되어 있는 면의 일측 단부가 상향 또는 하향 절곡되어 있고, 상기 절곡된 일측 단부와 직렬 접속부재가 결합되어, 인접한 단위모듈과 직렬 연결을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 측부 커버 플레이트는,
    상기 서브모듈들의 측부를 감싸는 본체부;
    상기 본체부의 양단에 서브모듈들의 감싸는 형태로 절곡되어 연장된 구조로 형성되어 있고, 서브모듈들과 체결 고정되는 고정부; 및
    상기 본체부의 일측 단부에 형성된 손잡이;
    를 포함하고 있고, 상기 본체부에는 유입구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 유입구는 평면상으로 원, 타원, 다각형 또는 슬릿(slit) 형상인 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 유입구는 둘 이상의 제 1 유입구를 포함하는 제 1 유입구군 및 둘 이상의 제 2 유입구를 포함하는 제 2 유입구군을 포함하고, 상기 제 1 유입구군은 냉매가 전지모듈 어셈블리로 유입되는 방향을 기준으로 전지모듈 어셈블리 전면 방향에 위치하고, 상기 제 2 유입구군은 전지모듈 어셀블리의 후면 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 유입구의 면적은 제 1 유입구의 면적 대비 110 내지 300% 더 큰 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 브라켓은,
    판상형 본체부, 고정부 및 상기 본체부 중앙에 관통되어 형성되어 있는 배출구를 포함하고 있고,
    상기 본체부는 서브모듈들의 후면 요철구조와 대응하는 형상의 요철부가 양단에 형성되어 있고,
    상기 고정부에는 서브모듈들의 후면에 체결고정될 수 있는 체결구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 서브모듈들의 사이의 냉매 유로는 평면상으로 브라켓의 냉매 배출구와 일직선 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리의 냉매 배출구의 위치에 송풍기(fan) 또는 배출 덕트(duct)가 장착되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는,
    상기 서브모듈들의 상면에 탑재되고, 서브모듈들 및 측부 커버플레이트와 체결 결합되는 상부 커버 플레이트(upper cover plate); 및
    냉매의 유입 방향을 기준으로 상기 서브모듈들의 전면에 장착되고, 서브모듈들, 베이스 플레이트 및 측부 커버 플레이트에 체결 결합되는 전면 커버 플레이트(front cover plate);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  19. 제 1 항에 따른 전지모듈 어셈블리를 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치, 비상용 전원장치, 전산실 전원장치, 휴대용 전원장치, 의료설비 전원장치, 소화설비 전원장치, 경보설비 전원장치 또는 피난설비 전원장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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