WO2016043441A1 - 냉매 유로의 절곡이 최소화된 냉각 구조를 포함하는 전지모듈 - Google Patents

냉매 유로의 절곡이 최소화된 냉각 구조를 포함하는 전지모듈 Download PDF

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battery module
battery
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refrigerant
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김태혁
김남인
노태환
이윤희
정준희
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module including a cooling structure in which bending of a refrigerant passage is minimized.
  • one or two or three battery cells are used for small mobile devices, whereas medium and large devices such as automobiles are used with medium and large battery modules electrically connected to a plurality of battery cells due to the need for high output and large capacity. .
  • the medium-large battery module is preferably manufactured in a small size and weight as much as possible, it can be charged with high integration, and a square battery, a pouch-type battery, etc., which have a small weight to capacity, is mainly used as a battery cell of a 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 battery cells constituting the medium-large battery module are composed of secondary batteries 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.
  • the laminate sheet of the pouch-type battery widely used in the battery module is coated with a low thermal conductivity polymer material, it is difficult to effectively cool the temperature of the entire battery cell.
  • a medium-large battery pack for a vehicle which is a high-output large-capacity battery including a plurality of medium-large battery modules to a plurality of medium-large battery modules, requires a cooling system for cooling the battery cells embedded therein.
  • a battery module mounted in a medium-large battery pack is generally manufactured by stacking a plurality of battery cells with high density, and stacking adjacent battery cells at regular intervals to remove heat generated during charging and discharging.
  • the battery cells themselves are sequentially stacked while being spaced at predetermined intervals without a separate member, or in the case of battery cells having low mechanical rigidity, the unit module is built in a frame member such as a cartridge in one or two or more combinations.
  • the battery module may be configured by stacking a plurality of such unit modules.
  • FIG. 1 is an exploded view schematically showing a structure of a unit module constituting a conventional battery module
  • FIG. 2 is a schematic view schematically showing a structure of the battery module of FIG.
  • the battery module 100 is a structure in which a plurality of unit modules 110 are arranged in close contact, and is formed in a hexahedral shape as a whole.
  • the unit module 110 is configured such that two plate-shaped battery cells 131 and 132 face to face with the frame member 120 interposed therebetween, and between the two plate-shaped battery cells 131 and 132. At least one cooling member 140 is interposed between the frame member 120 and the battery cells 131 and 132, and cover members 151 and 152 are respectively disposed on the front and rear surfaces of the battery module 100. Are combined.
  • the cooling member 140 has a structure corresponding to the shape and size of the plate-shaped battery cells 131 and 132 as a whole, and specifically, a plate-shaped cooling fin 141 having a shape and size corresponding to the battery cells 131 and 132. And a hollow refrigerant conduit 142 located at an outer periphery of the cooling fin 141.
  • the coolant conduit 142 includes a coolant inlet 143 and a coolant outlet 144 at the central portion of the lower side of the cooling fin 141, respectively, and the coolant inlet 143 and the coolant outlet 142 of the coolant conduit 142. 144 is coupled to each other in communication with the cooling manifolds (161, 162) located in the lower portion of the battery module (100).
  • the battery module 100 has a rectangular front shape as a whole, and fastening parts 101, 102, 103 and 104 are formed at each corner to couple the respective unit modules.
  • Cooling manifolds 161 and 162 are coupled to the lower portion of the battery module 100. Specifically, the cooling manifolds 161 and 162 are refrigerant conduits formed at a central portion of the lower side of the cooling fin. 142 is coupled to the refrigerant inlet and the refrigerant outlet in communication with each other.
  • the coolant inlet 143 and the coolant outlet 144 are located in the lower portion of the battery module 100, adjacent to the central portion, and thus, the coolant introduced through the cooling manifold 161 on one side is In the process of being discharged through the cooling manifold 162 of the other side connected to the refrigerant outlet 144 via the refrigerant inlet 143 of the refrigerant conduit 142, the entire outer circumference of the cooling fin 141 is circulated. The cooling efficiency of the battery module 100 may be maximized.
  • the conventional battery module 100 has six coolant conduits 142 formed at the outer periphery of the cooling fin 141 in the cooling member 140, 142a, 142b, 142c, 142d, 142e, and 142f. ) Is a shape that is bent, thereby acting as a factor that increases the cost required for the manufacture of the cooling member 140, and due to the plurality of bending structures, the cooling fin 141 through the refrigerant conduit 142 The pressure of the refrigerant circulating the outer periphery is lowered, rather, the cooling efficiency of the battery module 100 may be lowered.
  • the cooling manifolds (161, 162) is coupled to the lower portion of the battery module 100, the central portion where the refrigerant inlet 143 and the outlet 144 is located, when the battery module 100 is manufactured, the cooling Since the manifolds 161 and 162 must be individually coupled to the refrigerant inlet 143 and the refrigerant outlet 144 of the cooling member 140 of each unit module 110, the manifolds 161 and 162 are required for manufacturing the battery module 100.
  • the cooling manifolds (161, 162) is located between the battery module 100 and the tray assembly, the refrigerant inlet 143 ) And the coupling state of the cooling manifolds 161 and 162 to the refrigerant outlet 144 may not be directly checked by the naked eye, thereby increasing the defective rate of the product.
  • 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 integrally form the cooling manifold elements at both ends of one side of the frame member, and the refrigerant conduit connected to the cooling manifold elements.
  • the coolant flow path formed by the 'c' shape as a whole, by minimizing the bending of the refrigerant conduit, to reduce the manufacturing cost of the battery module, thereby preventing the pressure drop of the refrigerant, it is possible to improve the cooling efficiency Since the visual inspection of the coupling site of the cooling manifold elements is possible, it has been confirmed that the defect rate of the product can be minimized and the present invention has been completed.
  • One or more battery cells are One or more battery cells
  • a frame member having a structure surrounding an outer periphery of one or more battery cells, the frame member including cooling manifold elements respectively positioned at both ends of one side of the outer periphery of the battery cell;
  • cooling member mounted inside the frame member and facing the battery cell, the cooling member including a plate-shaped cooling fin having a shape and size corresponding to the battery cell, and a refrigerant conduit having a hollow structure located at an outer periphery of the cooling fin; Cooling member;
  • the unit module including a consists of a structure arranged in close contact with two or more numbers
  • the refrigerant conduit has a structure in which a refrigerant inlet port and a refrigerant outlet port are respectively connected to the cooling manifold elements of the frame member of the unit module.
  • the battery module according to the present invention integrally forms the cooling manifold elements at both ends of one side of the frame member, and the refrigerant flow path formed by the refrigerant conduit connected to the cooling manifold elements has an overall 'c' shape.
  • the type of the battery cell is not particularly limited, and in detail, the positive electrode, the negative electrode, and the positive electrode and The electrode assembly having a structure including a separator interposed between the negative electrode may be configured to be mounted on the accommodating part of the pouch-type battery case of the laminate sheet including the resin layer and the metal layer.
  • the frame member is a hollow structure surrounding the outer periphery of the battery cell, and includes a plate-shaped cooling fin having a shape and size corresponding to the battery cell, so that the cooling fin is exposed to the outside, thereby, the exposure Cooling efficiency can be improved by contacting the said cooling fin with the battery cell directly.
  • the cooling manifold element may be a structure formed in a structure penetrating the frame member.
  • the cooling manifold element can be of hollow structure penetrating from one side of the frame member to the other side.
  • the frame member constituting the unit module of the battery module according to the present invention has a plate-shaped structure according to the shape of the battery cell, wherein the cooling manifold elements at both ends of one side of the outer periphery of the battery cell
  • Each of the cooling manifold elements may be formed in a hollow structure penetrating from one surface of the plate member to the other surface.
  • cooling manifold elements of the unit modules may be a structure that is connected to communicate with each other.
  • each unit module includes a frame member in which cooling manifold elements are formed, and each of the cooling manifold elements is formed in a hollow structure at the same site, so that the unit modules are arranged in close contact with each other by two or more numbers.
  • the cooling manifold elements of the respective unit modules may be connected to communicate with each other.
  • the battery module according to the present invention does not require separate cooling manifolds for supplying and discharging the refrigerant through the refrigerant inlet and the refrigerant outlet formed in the refrigerant conduit of the cooling member, and according to the arrangement of the unit modules, By connection, a cooling manifold can be comprised more easily.
  • connection portion of the cooling manifold elements may be a structure in which a watertight gasket is interposed.
  • the frame member may be a structure formed integrally with the cooling member by injection molding.
  • the frame member may be manufactured by injection molding a material such as a plastic resin or a polymer resin, wherein the cooling member is made of a metal having excellent thermal conductivity such as aluminum, thereby injecting the frame member In the state of being embedded in the frame member, it can be formed integrally.
  • the frame member has a hollow structure surrounding the outer periphery of the battery cell, and by injection molding, the frame member can stably mount and fix a refrigerant conduit of the cooling member and a part of the cooling fin adjacent thereto.
  • the remaining portion of the cooling fin made of a metal such as aluminum may be exposed to the outside and face the battery cell directly, thereby exhibiting an excellent cooling effect.
  • the refrigerant conduit may be a structure formed integrally with the cooling fins.
  • the refrigerant conduit is a structure located on the outer periphery of the cooling fin, it is formed integrally with the cooling fin, thereby providing structural stability, wherein the refrigerant conduit and the cooling fin is made of the same material Can be.
  • the refrigerant conduit may be configured to surround the remaining outer periphery of the cooling fin, except for one side of the cooling fin corresponding to the portion where the refrigerant inlet and the refrigerant outlet are formed.
  • the refrigerant conduit is located on the outer periphery of the cooling fins, and the refrigerant inlet and the refrigerant outlet of the refrigerant conduit are connected to each other in communication with the cooling manifold elements of the frame member, wherein the cooling manifold element Since the structure is located at both ends of one side of the outer periphery of the battery cell, according to the structure, the refrigerant inlet and the refrigerant outlet of the refrigerant conduit respectively connected to the cooling manifold elements, By each of the positions corresponding to both ends of one side, it can be made of a structure surrounding the remaining outer periphery of the cooling fin, except for one side of the cooling fin corresponding to one side of the battery cell.
  • the refrigerant conduit may be formed in a 'c' shape as a whole, and the refrigerant passage formed by the refrigerant conduit may also be in a 'c' shape as a whole.
  • the refrigerant passage formed in the battery module according to the present invention can be minimized compared to the refrigerant passage in the conventional battery module, thereby, saving the cost required for bending the refrigerant conduit, the overall production
  • the cost can be reduced and the cooling efficiency can be maximized by preventing or minimizing the pressure drop of the refrigerant passing through the refrigerant conduit.
  • the refrigerant inlet and the refrigerant outlet of the refrigerant conduit may be located in the direction toward each end of the battery module.
  • the battery pack when configured by arranging the battery module having a hexahedral shape on a tray assembly as a whole, the lower part of the battery module includes a portion of one surface of the battery module facing the upper surface of the tray assembly. it means.
  • the frame member includes a top fastening extension with protrusions extending from opposite ends of the other side opposite to one side where the cooling manifold elements are formed, and the top fastening extension having a top fastening hole drilled therein. It may be a structure.
  • the frame member may include one or more lower fastening extensions protruding from the portion where the cooling manifold element is formed, and the lower fastening extensions may be perforated with lower fastening holes.
  • the upper fastening hole and the lower fastening hole is inserted into the fastening beam (beam) for fixing the mutually correct position of the unit modules, the unit modules are stably in close contact with each other, and fixed in position mutually, the battery of a stable structure You can configure the module.
  • the fixed fastening extension may have a structure in which a fixed fastening hole is drilled.
  • the cooling member may have a structure fixed to the frame member by a fixed fastener penetrating the fixed fastening hole and the frame member.
  • the frame member is formed integrally with the cooling member by injection molding
  • the fixed fastening hole of the fixed fastening extension formed on the cooling fin of the cooling member is a mold for injection molding the frame member. It can serve as a reference for positioning the cooling member in the.
  • the cooling member is fixed to the frame member by a fixed fastening hole penetrating the frame member and a fixed fastening hole of the fixed fastening extension portion formed in the cooling fins, thereby preventing separation of the cooling member due to damage of the relatively weak strength frame member. It can prevent.
  • the present invention also provides a battery pack including the battery module, wherein the battery pack has a structure in which a battery module assembly having a structure in which two or more battery modules are arranged in close contact with each other is mounted on an upper surface of a tray assembly. It may be made of.
  • the battery module assembly may have a structure in which cooling manifold elements are arranged to face the upper surface of the tray assembly.
  • the cooling manifold elements are located at both ends of one side of each unit module, the cooling manifold elements are located at both ends at the bottom of the battery module assembly facing the upper surface of the tray assembly. Accordingly, a predetermined space having a tunnel shape may be formed between the cooling manifold elements between the upper surface of the tray assembly and the lower surface of the battery module assembly.
  • the tray assembly may include a reinforcement bead located in a space between cooling manifold elements of the battery module assembly, on an upper surface facing the battery module assembly.
  • the battery module and the battery pack including the battery module according to the present invention may form a predetermined space by forming cooling manifold elements at both ends at a lower portion of the battery module assembly facing the tray assembly. Accordingly, by additionally including the reinforcing beads in the space, it is possible to improve the rigidity of the tray assembly, thereby improving the structural stability of the battery pack.
  • the height of the reinforcement bead may be a size of 10% to 90% of the height of the battery module assembly spaced apart from the upper surface of the tray assembly in the space between the cooling manifold elements, in detail, 50 Can range from% to 70%, and the width of the reinforcing beads can be from 10% to 90% relative to the width between the cooling manifold elements, in the space between the cooling manifold elements, Preferably, the size may be 50% to 70%.
  • the stiffness of the tray assembly cannot be improved to a desired degree.
  • the reinforcement bead is too large, it may be caused by factors such as external impact. When the shape is deformed, it may cause damage to the battery module assembly.
  • the reinforcing bead may be a structure that is integrally formed on the upper surface of the tray assembly, but is not limited thereto.
  • the reinforcing bead may be formed on a separate member coupled to the upper surface of the tray assembly. It may be a structure formed.
  • the reinforcement beads are integrally formed on the upper surface of the tray assembly, the reinforcement beads may be formed of the same material at the same time during the forming process of the tray assembly, thereby reducing the time required for the process. Productivity can be improved.
  • reinforcing beads when the reinforcing beads are formed on a separate member coupled to the upper surface of the tray assembly, reinforcing beads of various materials may be applied according to desired rigidity, and the battery module facing the upper surface of the tray assembly. At the bottom of the assembly, depending on the various shapes of the spaces between the cooling manifold elements, reinforcing beads of appropriate shape can be selectively applied and joined, thereby widening the application range of the tray assembly.
  • the battery module assembly may be further coupled to one or more fixed beams on the opposite surface of the surface facing the upper surface of the tray assembly, thereby preventing the flow of the battery module assembly in the battery pack.
  • the battery modules constituting the battery module assembly may be fixed in position.
  • the present invention also provides a device including at least one battery pack, wherein the device is any one selected from the group consisting of a power tool, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, and a power storage device. It can be one.
  • FIG. 1 is an exploded view schematically showing the structure of a unit module constituting a conventional battery module
  • FIG. 2 is a schematic view schematically showing a structure of the battery module of FIG. 1 viewed from the front;
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded view schematically showing the structure of a unit module constituting the battery module of FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic view schematically showing the structures of a cooling member and a frame member constituting the unit module of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing a structure in which the cooling member and the frame member of FIG. 5 are integrated by injection molding;
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view schematically showing the structure of the coupling portion of the cooling manifold elements of the unit module in the battery module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing the structure of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the structure of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 300 includes two or more unit modules 310 arranged in close contact with each other, and has a hexahedral shape as a whole.
  • the front and rear surfaces of the battery module 300 are coupled in a structure that covers the battery cells of the outermost unit modules 310 to which the cover members 321 and 322 are exposed to the outside, and thus, external impact or foreign matter. Damage or contamination of the outermost battery cell can be prevented from contaminants such as these.
  • An integrated circuit board (ICB) 330 is mounted on an upper surface of the battery module 300, and the integrated circuit board 330 is covered by an integrated circuit board cover 331.
  • the CVTN assembly 340 for converting a voltage is mounted on the integrated circuit board cover 331.
  • Cooling manifold elements 351 and 352 of each unit module 310 are connected to a lower portion of the battery module 300, and the cooling manifold elements 351 and 352 are connected to the battery module 300. It is formed in a straight line at both ends at the bottom of the.
  • the cooling manifold elements 351 and 352 are exposed to the outside, the visual inspection of the coupling portion of the cooling manifold elements 351 and 352 is possible, thereby minimizing the defective rate of the product.
  • a tunnel-shaped space 360 is formed between the cooling manifold elements (351, 352), the battery cell having a structure in which two or more battery modules 300 are in close contact
  • a reinforcing member may be added to a space 360 formed between the lower surface of the battery module assembly and the upper surface of the tray assembly. Stiffness can be improved, and structural stability can be improved.
  • FIG. 4 is an exploded view schematically showing the structure of a unit module constituting a battery module according to an embodiment of the present invention
  • the unit module 400 faces two battery cells 410 and 430 facing each other with one frame member 420 and a cooling member mounted on the frame member 420 interposed therebetween. It consists of a structure.
  • the battery cells 410 and 430 have an electrode assembly having a structure including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and is mounted on an accommodating part of a pouch type battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer. It consists of a plate-like structure.
  • Electrode terminals 411, 412, 431, and 432 protrude from one side of each of the battery cells 410 and 430, respectively, and electrode terminals 411 and two of the two battery cells 410 and 430, respectively. 412, 431, and 432 all protrude in the same direction.
  • the frame member 420 is interposed between the battery cells 410 and 430, and has a rectangular shape surrounding the outer periphery of the battery cells 410 and 430 as a whole, and has a hollow structure.
  • the frame member 420 is integrally formed with the cooling member 440 by injection molding, and the cooling member 440 is mounted inside the frame member 420, and thus, the cooling member 440
  • the cooling fins 441 are exposed to the hollow portion of the frame member 420 to face the battery cells 410 and 430, respectively.
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structures of the cooling member and the frame member constituting the unit module of FIG. 4.
  • the cooling member 440 includes a plate-shaped cooling fin 441 having a shape and size corresponding to a battery cell, and a hollow refrigerant conduit 442 positioned at an outer periphery of the cooling fin 441. It includes.
  • the coolant conduit 442 includes a coolant inlet and a coolant outlet, and the coolant inlet 443 and the coolant outlet 444 are each formed at both ends of the lower side of the cooling fin 441, and thus, the coolant
  • the conduit 442 has a structure surrounding the outer periphery except for the lower side of the cooling fin 441 in which the refrigerant inlet 443 and the refrigerant outlet 444 are located.
  • the refrigerant conduit 442 is made of a 'c' shape as a whole, thereby minimizing the bending of the refrigerant conduit 442, compared to the conventional battery module, it is possible to reduce the cost required for the production of the battery module have.
  • fixed fastening extensions 445 and 446 are formed at portions adjacent to the coolant inlet 443 and the coolant outlet, protrudingly extending a portion of the cooling fin 441.
  • Fixed fastening holes 445a and 446a are respectively drilled into the parts 445 and 446.
  • each member 440 may be stably fixed to the frame member 420 by fixing fasteners 445a and 446a passing through the frame member 420.
  • the frame member 420 also has a shape and size corresponding to the battery cell, and surrounds the outer periphery of the battery cell, and has a hollow structure in which a central portion 427 is drilled.
  • Cooling manifold elements 423 and 424 are formed at both ends of the lower side of the frame member 420.
  • Upper fastening extensions 421 and 422 are formed at the upper side of the frame member 420 and protruded from both ends thereof, and upper fastening holes 421a and 422a are provided at the upper fastening extensions 421 and 422. Each is perforated.
  • lower fastening extensions 425 and 426 protruding from the portion where the cooling manifold elements 423 and 424 are formed on the lower side of the frame member 420, and lower fastening extensions 425 and 426. ), The lower fastening holes 425a and 426a are respectively drilled.
  • the upper fastening holes 421a and 422a and the lower fastening holes 425a and 426a are inserted with fastening beams for fixing the unit modules to each other in an exact position, whereby the unit modules are stably arranged closely and fixed to each other.
  • the battery module can be composed of a stable structure.
  • the frame member 420 is integrally formed with the cooling member 440 by injection molding.
  • a schematic diagram schematically illustrating a structure in which the cooling member 440 and the frame member 420 are integrated by injection molding is shown in FIG. 6. Is shown.
  • the cooling member 440 is integrally formed with the frame member 420 by injection molding, such that the refrigerant conduit 442 and the refrigerant conduit 442 of the cooling member 440 are integrally formed. A portion of the cooling fin 441 adjacent to is embedded in the frame member 420.
  • the refrigerant inlet 443 and the refrigerant outlet 444 of the refrigerant conduit 442 are respectively connected to the cooling manifold elements 423 and 424 so that the refrigerant passing through the cooling manifold element 423 on one side is the refrigerant.
  • the refrigerant conduit 442 is circulated through the inlet 443 and the refrigerant outlet 444 to the cooling manifold element 424 on the other side.
  • the coolant flow path formed by the coolant conduit 442 has two bent portions 442a and 442b, and has a 'c' shape as a whole.
  • the bending of the refrigerant passage is minimized, thereby preventing the refrigerant from lowering the pressure, thereby improving the overall cooling efficiency.
  • FIG. 7 is a vertical cross-sectional view schematically showing the structure of the coupling portion of the cooling manifold elements of the unit module in the battery module according to an embodiment of the present invention
  • the cooling manifold elements 711 and 712 have a hollow structure penetrating from one side of the frame member to the other side, and are connected in a structure in which the refrigerant inlets 712 and 722 of the refrigerant conduit communicate with each other. .
  • the outer diameter R1 of the one ends 711a and 712a of the cooling manifold elements 711 and 712 is a size corresponding to the inner diameter R2 of the other ends 711b and 712b.
  • one end 711a of the cooling manifold element 711 formed in one unit module 710 is another unit module 720. It is composed of a structure that is inserted into the other end 721b of the cooling manifold element 721 formed in the.
  • One end portions 711a and 712a of the cooling manifold elements 711 and 712 are formed with grooves 722 of a predetermined depth along the outer surface, respectively, and the grooves 722 are watertight gaskets formed of O-rings. 723).
  • FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing the structure of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 800 has a structure in which a battery module assembly 810 having a structure in which two or more battery modules 811 and 812 are closely arranged is mounted on an upper surface of the tray assembly 820. have.
  • the battery module assembly 810 is arranged such that the cooling manifold elements 813, 814 face the top surface of the tray assembly 820.
  • a reinforcement bead 821 is positioned in the space between the cooling manifold elements 813, 814 of the battery module assembly 810.
  • the rigidity of the tray assembly 820 is improved compared to the battery pack including the conventional battery module, and thus, the overall structural stability of the battery pack 800 is improved.
  • the battery module assembly 810 is further coupled to the two fixed beams (831, 832) on the upper surface, thereby preventing the flow of the battery module assembly 810 in the battery pack 800,
  • the battery modules 811 and 812 constituting the battery module assembly 810 are fixed in position.
  • the battery module according to the present invention includes the cooling manifold elements integrally formed at both ends of one side of the frame member, and the refrigerant flow path formed by the refrigerant conduit connected to the cooling manifold elements is generally '
  • the bending of the refrigerant conduit can be minimized, thereby reducing the manufacturing cost of the battery module, thereby preventing the pressure drop of the refrigerant, thereby improving the cooling efficiency, and the coupling portion of the cooling manifold elements Since visual inspection is possible, there is an effect that can minimize the defective rate of the product.

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Abstract

본 발명은 하나 또는 둘 이상의 전지셀; 하나 또는 둘 이상의 전지셀의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 프레임 부재로서, 상기 전지셀의 외주변 중의 일 변의 양 단부에 각각 위치한 냉각 매니폴드 요소를 포함하는 프레임 부재; 및 상기 프레임 부재의 내부에 장착되어 전지셀과 대면 접촉하는 냉각 부재로서, 전지셀에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 판상형의 냉각 핀, 및 상기 냉각 핀의 외주변에 위치한 중공 구조의 냉매 도관을 포함하고 있는 냉각 부재;를 포함하고 있는 단위모듈이 둘 이상의 개수로 밀착 배열된 구조로 이루어져 있고, 상기 냉매 도관은, 단위모듈의 프레임 부재의 냉각 매니폴드 요소들에, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 각각 연통되는 구조로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈을 제공한다.

Description

냉매 유로의 절곡이 최소화된 냉각 구조를 포함하는 전지모듈
본 발명은 냉매 유로의 절곡이 최소화된 냉각 구조를 포함하는 전지모듈에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 최근에는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서 이차전지의 사용이 실현화되고 있으며, 그리드(Grid)화를 통한 전력 보조전원 등의 용도로도 사용영역이 확대되고 있어, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
대표적으로 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같 은 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.
이러한 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 상기 전지모듈에 널리 사용되는 파우치형 전지의 라미네이트 시트는 열전도성이 낮은 고분자 물질로 표면이 코팅되어 있으므로, 전지셀 전체의 온도를 효과적으로 냉각시키기 어려운 실정이다.
또한, 충방전 과정에서 발생한 전지모듈의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 전지모듈의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발을 유발할 수 있다. 따라서, 중대형 전지모듈 내지 상기 중대형 전지모듈 다수 개를 포함하는 고출력 대용량의 전지인 차량용 중대형 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
중대형 전지팩에 장착되는 전지모듈은 일반적으로 다수의 전지셀들을 높은 밀집도로 적층하는 방법으로 제조하며, 충방전시에 발생한 열을 제거할 수 있도록 인접한 전지셀들을 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 카트리지와 같은 프레임 부재 등에 내장하여 단위모듈을 구성하고 이러한 단위모듈들을 다수 개 적층하여 전지모듈을 구성할 수 있다.
도 1에는 종래의 전지모듈을 이루는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지모듈의 구조를 정면에서 바라본 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 전지모듈(100)은 다수의 단위모듈(110)들이 밀착 배열된 구조로서, 전체적으로 육면체 형상으로 이루어져 있다.
단위모듈(110)은 프레임 부재(120)를 사이에 두고, 두 개의 판상형 전지셀들(131, 132)이 대면 접촉하도록 구성되어 있으며, 상기 두 개의 판상형 전지셀들(131, 132) 사이에서, 프레임 부재(120)와 전지셀들(131, 132) 사이의 적어도 한 군데에는 냉각 부재(140)가 개재되어 있고, 전지모듈(100)의 전면 및 후면에는 각각 커버 부재들(151, 152)이 결합되어 있다.
냉각 부재(140)는 전체적으로 판상형 전지셀(131, 132)의 형상 및 크기에 대응하는 구조를 가지며, 구체적으로, 전지셀(131, 132)에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 판상형의 냉각 핀(141), 및 상기 냉각 핀(141)의 외주변에 위치한 중공 구조의 냉매 도관(142)을 포함하고 있다.
냉매 도관(142)은 냉각 핀(141)의 하측 일변의 중앙 부위에 냉매 유입구(143) 및 냉매 배출구(144)를 각각 포함하고 있으며, 냉매 도관(142)의 냉매 유입구(143) 및 냉매 배출구(144)는 전지모듈(100)의 하부에 위치하는 냉각 매니폴드들(161, 162)에 각각 연통되는 구조로 결합된다.
전지모듈(100)은 정면에서 바라본 형상이 전체적으로 직사각형 형상으로 이루어져 있고, 각 모서리에는 각각의 단위모듈들을 결합할 수 있는 체결부들(101, 102, 103, 104)이 형성되어 있다.
전지모듈(100)의 하부에는 냉각 매니폴드들(161, 162)이 결합되어 있으며, 구체적으로, 상기 냉각 매니폴드들(161, 162)은 냉각 핀의 하측 일변의 중앙 부위에 형성되어 있는 냉매 도관(142)의 냉매 유입구 및 냉매 배출구와 각각 연통되는 구조로 결합되어 있다.
이 때, 냉매 유입구(143) 및 냉매 배출구(144)는 전지모듈(100)의 하부에서, 대략 중앙 부위에 인접하여 위치해 있으며, 이에 따라, 일측의 냉각 매니폴드(161)를 통해 유입된 냉매는 냉매 도관(142)의 냉매 유입구(143)를 거쳐 냉매 배출구(144)와 연결된 타측의 냉각 매니폴드(162)를 통해 배출되는 과정에서 냉각 핀(141)의 외주변을 전체적으로 순환하게 되며, 이에 따라, 전지모듈(100)의 냉각 효율을 극대화할 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 전지모듈(100)은 냉각 부재(140)에서, 냉각 핀(141)의 외주변에 형성되어 있는 냉매 도관(142)이 6 군데(142a, 142b, 142c, 142d, 142e, 142f)에서 절곡되어 있는 형상으로서, 이에 따라, 냉각 부재(140)의 제작에 소요되는 비용이 증가하는 요인으로 작용하며, 상기 다수의 절곡 구조로 인해, 냉매 도관(142)을 통해 냉각 핀(141)의 외주변을 순환하는 냉매의 압력이 낮아져, 오히려, 전지모듈(100)의 냉각 효율이 저하될 수 있다.
또한, 냉각 매니폴드들(161, 162)은 전지모듈(100)의 하부에서, 냉매 유입구(143) 및 배출구(144)가 위치한 중앙 부위에 결합되므로, 전지모듈(100)의 제작시, 상기 냉각 매니폴드들(161, 162)을 각 단위모듈(110)의 냉각 부재(140)의 냉매 유입구(143) 및 냉매 배출구(144)에 개별적으로 결합해야 하므로, 전지모듈(100)의 제작에 소요되는 시간이 증가하고, 상기 전지모듈(100)을 둘 이상 포함하는 전지팩의 제작시, 냉각 매니폴드들(161, 162)이 전지모듈(100)과 트레이 어셈블리 사이에 위치함에 따라, 냉매 유입구(143) 및 냉매 배출구(144)에 대한 냉각 매니폴드들(161, 162)의 결합 상태를 육안으로 직접 확인할 수 없어, 제품의 불량률이 증가하는 문제점이 있다.
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 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 프레임 부재에서 일변의 양측 단부에 냉각 매니폴드 요소들을 일체형으로 형성하고, 상기 냉각 매니폴드 요소들에 연결된 냉매 도관에 의해 형성된 냉매 유로가 전체적으로 'ㄷ' 형상을 이루도록 구성함으로써, 냉매 도관의 절곡을 최소화해, 전지모듈의 제작 비용을 절감하고, 이에 따른 냉매의 압력 저하를 방지함으로써, 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 냉각 매니폴드 요소들의 결합 부위에 대한 육안 검사가 가능하므로, 제품의 불량률을 최소화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈은,
하나 또는 둘 이상의 전지셀;
하나 또는 둘 이상의 전지셀의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 프레임 부재로서, 상기 전지셀의 외주변 중의 일 변의 양 단부에 각각 위치한 냉각 매니폴드 요소를 포함하는 프레임 부재; 및
상기 프레임 부재의 내부에 장착되어 전지셀과 대면 접촉하는 냉각 부재로서, 전지셀에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 판상형의 냉각 핀, 및 상기 냉각 핀의 외주변에 위치한 중공 구조의 냉매 도관을 포함하고 있는 냉각 부재;
를 포함하고 있는 단위모듈이 둘 이상의 개수로 밀착 배열된 구조로 이루어져 있고,
상기 냉매 도관은, 단위모듈의 프레임 부재의 냉각 매니폴드 요소들에, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 각각 연통되는 구조로 연결되어 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 상기 프레임 부재에서 일변의 양측 단부에 냉각 매니폴드 요소들을 일체형으로 형성하고, 상기 냉각 매니폴드 요소들에 연결된 냉매 도관에 의해 형성된 냉매 유로가 전체적으로 'ㄷ' 형상을 이루도록 구성함으로써, 냉매 도관의 절곡을 최소화해, 전지모듈의 제작 비용을 절감하고, 이에 따른 냉매의 압력 저하를 방지함으로써, 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 냉각 매니폴드 요소들의 결합 부위에 대한 육안 검사가 가능하므로, 제품의 불량률을 최소화할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은, 냉각 부재가 장착된 프레임 부재를 사이에 두고 서로 대면할 수 있는 구조라면, 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 프레임 부재는 전지셀의 외주변을 감싸는 중공 구조로서, 전지셀에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 판상형의 냉각 핀을 포함하고 있으므로, 상기 냉각 핀이 외부로 노출되며, 이에 따라, 상기 노출된 냉각 핀이 전지셀과 직접 대면 접촉함으로써, 냉각 효율을 높일 수 있다.
한편, 상기 냉각 매니폴드 요소는 프레임 부재를 관통하는 구조로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 냉각 매니폴드 요소는 프레임 부재의 일면으로부터 타면 쪽으로 관통하는 중공 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전지모듈의 단위모듈을 구성하는 프레임 부재는 전지셀의 형상에 따라 판상형 구조로 이루어져 있으며, 이 때, 상기 전지셀의 외주변 중의 일 변의 양 단부에는 냉각 매니폴드 요소들이 각각 형성되어 있고, 상기 냉각 매니폴드 요소들은 상기 판상형으로 이루어진 프레임 부재의 일면으로부터 타면 쪽으로 관통하는 중공 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 단위모듈들의 냉각 매니폴드 요소들은 상호 연통되도록 연결되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 각 단위모듈들은 냉각 매니폴드 요소들이 형성된 프레임 부재를 포함하고 있고, 상기 냉각 매니폴드 요소들은 각각 동일한 부위에 중공 구조로 형성되어 있어, 단위모듈들이 둘 이상의 개수로 밀착 배열됨으로써 전지모듈을 구성하는 경우, 상기 각 단위모듈들의 냉각 매니폴드 요소들은 상호 연통되도록 연결될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈은 냉각 부재의 냉매 도관에 형성된 냉매 유입구 및 냉매 배출구를 통해 냉매를 공급 및 배출하기 위한 별도의 냉각 매니폴드들이 필요 없으며, 단위모듈들의 배열에 따른 냉각 매니폴드 요소들의 연결에 의해, 보다 용이하게 냉각 매니폴드를 구성할 수 있다.
이 때, 상기 냉각 매니폴드 요소들의 연결 부위에는 수밀성 가스켓(gasket)이 개재되어 있는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 각 단위모듈들의 냉각 매니폴드 요소들이 상호 연통되는 구조로 연결되는 경우, 각각의 냉각 매니폴드 요소들의 미세한 사이즈의 차이, 마모, 또는 변형 등의 요소에 의한 결합 불량 및 누수를 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 프레임 부재는 사출 성형에 의해 냉각 부재와 일체형으로 형성되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 프레임 부재는 플라스틱 수지, 또는 고분자 수지 등의 재료를 사출 성형함으로써 제조될 수 있으며, 이 때, 상기 냉각 부재는 알루미늄과 같은 열전도성이 우수한 금속으로 이루어져, 상기 프레임 부재의 사출 성형 과정에서, 프레임 부재에 내장되는 상태로서, 일체형으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 프레임 부재는 전지셀의 외주변을 감싸는 중공 구조로 이루어져 있는 바, 상기 사출 성형에 의해, 프레임 부재에는 냉각 부재의 냉매 도관 및 이에 인접한 냉각 핀의 일부 부위가 안정적으로 장착 및 고정될 수 있으며, 알루미늄과 같은 금속으로 이루어진 나머지 냉각 핀의 부위가 외부로 노출되어, 전지셀과 직접 대면함으로써, 우수한 냉각 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 상기 냉매 도관은 냉각 핀과 일체형으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 냉매 도관은 냉각 핀의 외주변에 위치하는 구조로서, 상기 냉각 핀과 일체형으로 형성됨으로써, 구조적인 안정성을 제공할 수 있으며, 이 때, 상기 냉매 도관과 냉각 핀은 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉매 도관은, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 형성되어 있는 부위에 대응하는 냉각 핀의 일 변을 제외한, 냉각 핀의 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 냉매 도관은 냉각 핀의 외주변에 위치하고, 상기 냉매 도관의 냉매 유입구와 냉매 배출구는 프레임 부재의 냉각 매니폴드 요소들에 각각 연통되는 구조로 연결되며, 이 때, 상기 냉각 매니폴드 요소들은 전지셀의 외주변 중의 일 변의 양 단부에 각각 위치하는 구조로 이루어져 있으므로, 상기 구조에 따라, 냉각 매니폴드 요소들에 각각 연결되는 냉매 도관의 냉매 유입구 및 냉매 배출구 역시, 전지셀의 외주변 중의 일 변의 양 단부에 대응되는 부위에 각각 위치함으로써, 상기 전지셀의 일 변에 대응되는 냉각 핀의 일 변을 제외한, 냉각 핀의 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 구조에 따라, 상기 냉매 도관은 전체적으로 'ㄷ' 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 냉매 도관에 의해 형성되는 냉매 유로 역시, 전체적으로 'ㄷ' 형상일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈에서 형성되는 냉매 유로는 종래의 전지모듈에서의 냉매 유로에 비해, 절곡이 최소화될 수 있으며, 이에 따라, 상기 냉매 도관의 절곡에 소요되는 비용을 절약해, 전체적인 제작 비용을 절감할 수 있고, 상기 냉매 도관을 통과하는 냉매의 압력 저하를 방지하거나, 최소화함으로써, 냉각 효율을 극대화 시킬 수 있다.
한편, 상기 냉매 도관의 냉매 유입구와 냉매 배출구는 각각의 단부가 전지모듈의 하부를 향하는 방향으로 위치할 수 있다.
이 때, 상기 전지모듈의 하부는, 전체적으로 육면체 형상을 갖는 상기 전지모듈을 트레이(tray) 어셈블리 상에 배열함으로써 전지팩을 구성하는 경우, 상기 트레이 어셈블리의 상면과 대면하는 상기 전지모듈의 일면 부위를 의미한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 프레임 부재는 냉각 매니폴드 요소들이 형성된 일 변에 대향하는 타 변의 양측 단부가 각각 돌출 연장된 상단 체결 연장부를 포함하고 있고, 상기 상단 체결 연장부에는 상단 체결공이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 프레임 부재는 냉각 매니폴드 요소가 형성된 부위로부터 돌출 연장된 하나 이상의 하단 체결 연장부를 포함하고 있고, 상기 하단 체결 연장부에는 하단 체결공이 천공되어 있는 구조일 수 있다,
이 때, 상기 상단 체결공 및 하단 체결공에는 단위모듈들을 상호 정위치 고정하기 위한 체결 빔(beam)이 삽입됨으로써, 상기 단위모듈들이 안정적으로 밀착 배열되고, 상호 정위치 고정됨으로써, 안정적인 구조의 전지모듈을 구성할 수 있다.
한편, 상기 냉각 부재의 냉각 핀은, 냉매 도관의 냉매 유입구와 냉매 배출구가 위치한 일변에서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구에 인접한 부위에 냉각 핀의 일부가 돌출 연장된 하나 이상의 고정 체결 연장부를 각각 포함하고 있고, 상기 고정 체결 연장부에는 고정 체결공이 천공되어 있는 구조일 수 있다.
이 때, 상기 냉각 부재는 고정 체결공과 프레임 부재를 관통하는 고정 체결구에 의해 상기 프레임 부재에 고정되는 구조일 수 있다.
구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 프레임 부재는 사출 성형에 의해 냉각 부재와 일체형으로 형성되는 바, 상기 냉각 부재의 냉각 핀에 형성된 고정 체결 연장부의 고정 체결공은 상기 프레임 부재를 사출 성형하기 위한 금형에서 냉각 부재를 정위치 시키기 위한 기준으로서의 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 냉각 부재는 냉각 핀에 형성된 고정 체결 연장부의 고정 체결공과 프레임 부재를 관통하는 고정 체결구에 의해, 프레임 부재에 고정됨으로써, 상대적으로 강도가 약한 프레임 부재의 손상으로 인한 냉각 부재의 이탈을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지모듈을 포함하고 있는 전지팩을 제공하는 바, 상기 전지팩은 둘 이상의 전지모듈들이 밀착 배열되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리가 트레이(tray) 어셈블리의 상면에 탑재되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 전지모듈 어셈블리는 냉각 매니폴드 요소들이 트레이 어셈블리의 상면을 향하도록 배열되어 있는 구조일 수 있다.
이와 관련하여, 상기 냉각 매니폴드 요소들은 각 단위모듈의 일 변에서, 양측 단부에 위치하므로, 상기 냉각 매니폴드 요소들은 트레이 어셈블리의 상면과 대면하는 전지모듈 어셈블리의 하부에서 양측 단부에 위치하며, 이에 따라, 트레이 어셈블리의 상면과 전지모듈 어셈블리의 하면 사이에서 냉각 매니폴드 요소들 사이에는 터널 형상의 소정의 공간이 형성될 수 있다.
이러한 경우에, 상기 트레이 어셈블리는, 전지모듈 어셈블리와 대면하는 상면에서, 상기 전지모듈 어셈블리의 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간에 위치한 보강 비드(bead)를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지모듈 및 상기 전지모듈을 포함하는 전지팩은 트레이 어셈블리와 대면하는 전지모듈 어셈블리의 하부에서, 냉각 매니폴드 요소들이 양측 단부에 형성됨으로써, 소정의 공간을 형성할 수 있고, 이에 따라, 상기 공간에 보강 비드를 추가적으로 포함함으로써, 트레이 어셈블리의 강성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 전지팩의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
이 때, 상기 보강 비드의 높이는, 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간에서, 전지모듈 어셈블리가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 이격되어 있는 높이에 대해 10% 내지 90%의 크기일 수 있으며, 상세하게는, 50% 내지 70%의 크기일 수 있고, 상기 보강 비드의 폭은, 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간에서, 상기 냉각 매니폴드 요소들 사이의 폭에 대해 10% 내지 90%의 크기일 수 있으며, 상세하게는, 50% 내지 70%의 크기일 수 있다.
만일, 상기 범위를 벗어나, 보강 비드의 높이 및/또는 폭이 지나치게 작을 경우에는, 소망하는 정도로 트레이 어셈블리의 강성을 향상시킬 수 없고, 이와 반대로, 지나치게 클 경우에는, 외부의 충격 등의 요인으로 인한 형상의 변형시, 전지모듈 어셈블리에 손상을 일으키는 요인이 될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 보강 비드는 트레이 어셈블리의 상면에 일체형으로 형성되어 있는 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이와 반대로, 상기 보강 비드는 트레이 어셈블리의 상면에 결합되는 별도의 부재 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
만일, 상기 보강 비드가 트레이 어셈블리의 상면에 일체형으로 형성될 경우에는, 상기 보강 비드가 트레이 어셈블리의 성형 과정에서 동시에 동일한 소재로 형성될 수 있어, 공정에 소요되는 시간이 단축될 수 있고, 이에 따라, 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 보강 비드가 트레이 어셈블리의 상면에 결합되는 별도의 부재 상에 형성될 경우에는, 소망하는 강성에 따라, 다양한 소재의 보강 비드를 적용할 수 있고, 상기 트레이 어셈블리의 상면에 대면하는 전지모듈 어셈블리의 하면에서, 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간의 다양한 형상에 따라, 적절한 형상의 보강 비드를 선택적으로 적용하여 결합시킬 수 있으므로, 상기 트레이 어셈블리의 적용 범위가 넓어질 수 있다.
또한, 상기 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간의 다양한 형상에 따라, 서로 상이한 형상의 상면 및 보강 비드의 구조를 갖는 트레이 어셈블리들을 각각 따로 제작할 필요가 없어, 트레이 어셈블리의 제작을 위한 금형 제작에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지모듈 어셈블리는 트레이 어셈블리의 상면과 대면하는 일 면의 대향면에 하나 이상의 고정 빔이 추가로 결합될 수 있으며, 이에 따라, 전지팩 내에서 전지모듈 어셈블리의 유동을 방지하고, 상기 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지모듈들을 정위치 고정시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 하나 이상 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
도 1은 종래의 전지모듈을 이루는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈의 구조를 정면에서 바라본 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 3의 전지모듈을 이루는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 5는 도 4의 단위모듈을 이루는 냉각부재 및 프레임 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 6은 도 5의 냉각 부재 및 프레임 부재가 사출 성형에 의해 일체화된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈에서 단위모듈의 냉각 매니폴드 요소들의 결합 부위의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 전지모듈(300)은 둘 이상의 단위모듈(310)이 밀착 배열되어 구성되며, 전체적으로 육면체 형상으로 이루어져 있다.
전지모듈(300)의 전면 및 후면에는 각각 커버 부재들(321, 322)이 외부로 노출되는 최외측 단위모듈(310)들의 전지셀들을 덮는 구조로 결합되어 있으며, 이에 따라, 외부의 충격 또는 이물질 등의 오염요소로부터 최외측 전지셀의 손상 또는 오염을 방지할 수 있다.
전지모듈(300)의 상면에는 집적회로기판(Integrated Circuit Board; ICB, 330)이 장착되어 있으며, 상기 집적회로기판(330)은 집적회로기판 커버(331)에 의해 덮여있다.
상기 집적회로기판 커버(331)의 상부에는 전압을 변환시키기 위한 CVTN 어셈블리(340)가 장착되어 있다.
전지모듈(300)의 하부에는 각 단위모듈(310)의 냉각 매니폴드 요소들(351, 352)이 연통되도록 연결되어 있고, 상기 냉각 매니폴드 요소들(351, 352)은 상기 전지모듈(300)의 하부에서 양측 단부에 일직선 상으로 형성되어 있다.
따라서, 냉각 매니폴드 요소들(351, 352)이 외부로 노출되어 있어, 상기 냉각 매니폴드 요소들(351, 352)의 결합 부위에 대한 육안 검사가 가능하므로, 제품의 불량률을 최소화할 수 있다.
또한, 전지모듈(300)의 하부에서, 냉각 매니폴드 요소들(351, 352) 사이에는 터널 형상의 공간(360)이 형성되며, 상기 전지모듈(300)이 둘 이상 밀착 배열된 구조의 전지셀 어셈블리를 트레이 어셈블리의 상면에 탑재함으로써 전지팩을 제작하는 경우, 상기 전지모듈 어셈블리의 하면과 트레이 어셈블리의 상면 사이에 형성되는 공간(360)에 보강 부재를 부가할 수 있고, 이에 따라, 전지팩의 강성이 향상되어, 구조적인 안정성이 향상될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈을 이루는 단위모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 분해도이다;
도 4를 참조하면, 단위모듈(400)은 두 개의 전지셀들(410, 430)이 하나의 프레임 부재(420) 및 상기 프레임 부재(420)에 장착되어 있는 냉각 부재를 사이에 두고 서로 대면하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀들(410, 430)은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 판상형 구조로 이루어져 있다.
각 전지셀들(410, 430)의 일 변에는 전극 단자들(411, 412, 431, 432)이 각각 돌출되어 있으며, 두 개의 전지셀들(410, 430)의 각각의 전극 단자들(411, 412, 431, 432)은 모두 동일한 방향으로 돌출되어 있다.
프레임 부재(420)는 전지셀들(410, 430) 사이에 개재되어, 전체적으로 전지셀들(410, 430)의 외주변을 감싸는 사각형 형상으로서, 중공 구조로 이루어져 있다.
프레임 부재(420)는 사출 성형에 의해 냉각 부재(440)와 일체형으로 형성되는 바, 상기 냉각 부재(440)는 프레임 부재(420)의 내부에 장착되어 있으며, 이에 따라, 냉각 부재(440)의 냉각 핀(441)은 프레임 부재(420)의 중공 부위로 노출되어 전지셀들(410, 430)과 각각 대면 접촉한다.
도 5에는 도 4의 단위모듈을 이루는 냉각 부재 및 프레임 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 냉각 부재(440)는 전지셀에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 판상형의 냉각 핀(441), 및 상기 냉각 핀(441)의 외주변에 위치한 중공 구조의 냉매 도관(442)을 포함하고 있다.
냉매 도관(442)은 냉매 유입구와 냉매 배출구를 포함하고 있고, 냉매 유입구(443)와 냉매 배출구(444)는 각각 냉각 핀(441)의 하측변의 양측 단부에 위치하도록 형성되어 있으며, 이에 따라, 냉매 도관(442)은 냉매 유입구(443)와 냉매 배출구(444)가 위치한 냉각 핀(441)의 하측변을 제외한 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 냉매 도관(442)은 전체적으로 'ㄷ' 형상으로 이루어져 있으며, 이에 따라, 종래의 전지모듈에 비해, 냉매 도관(442)의 절곡을 최소화해, 전지모듈의 제작에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
냉각 핀(441)의 하측변에는 냉매 유입구(443)와 냉매 배출구에 인접한 부위에 냉각 핀(441)의 일부가 돌출 연장된 고정 체결 연장부들(445, 446)이 형성되어 있고, 상기 고정 체결 연장부들(445, 446)에는 고정 체결공들(445a, 446a)이 각각 천공되어 있다.
따라서, 각 부재(440)는 고정 체결공들(445a, 446a)과 프레임 부재(420)를 관통하는 고정 체결구들에 의해 프레임 부재(420)에 안정적으로 고정될 수 있다.
프레임 부재(420) 역시, 전지셀에 대응하는 형상 및 크기로 이루어져 있고, 전지셀의 외주변을 감싸는 구조로서, 중앙 부위(427)가 뚫려 있는 중공 구조로 이루어져 있다.
프레임 부재(420)의 하측변에는 양측 단부에 각각 냉각 매니폴드 요소들(423, 424)이 형성되어 있다.
프레임 부재(420)의 상측변에는 양측 단부가 각각 돌출 연장된 상단 체결 연장부들(421, 422)이 형성되어 있고, 상단 체결 연장부들(421, 422)에는 상단 체결공들(421a, 422a)이 각각 천공되어 있다.
또한, 프레임 부재(420)의 하측변에는 냉각 매니폴드 요소들(423, 424)이 형성된 부위로부터 돌출 연장된 하단 체결 연장부들(425, 426)이 형성되어 있고, 하단 체결 연장부들(425, 426)에는 하단 체결공들(425a, 426a)이 각각 천공되어 있다.
상기 상단 체결공들(421a, 422a) 및 하단 체결공들(425a, 426a)에는 단위모듈들을 상호 정위치 고정하기 위한 체결 빔이 삽입됨으로써, 단위모듈들이 안정적으로 밀착 배열되고, 상호 정위치 고정되어, 안정적인 구조의 전지모듈을 구성할 수 있다.
프레임 부재(420)는 사출 성형에 의해 냉각 부재(440)와 일체형으로 형성되는 바, 상기 냉각 부재(440) 및 프레임 부재(420)가 사출 성형에 의해 일체화된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 도 5와 함께 참조하면, 냉각 부재(440)는 프레임 부재(420)와 사출 성형에 의해 일체형으로 형성되는 바, 냉각 부재(440)의 냉매 도관(442) 및 상기 냉매 도관(442)에 인접한 냉각 핀(441)의 일부 부위는 프레임 부재(420)의 내부에 내장되어 있다.
냉매 도관(442)의 냉매 유입구(443) 및 냉매 배출구(444)는 각각 냉각 매니폴드 요소들(423, 424)에 연통되도록 연결되어 있어, 일측의 냉각 매니폴드 요소(423)를 지나는 냉매는 냉매 유입구(443)와 냉매 배출구(444)를 거쳐 타측의 냉각 매니폴드 요소(424)로 배출되는 과정에서 냉매 도관(442)을 순환한다.
이에 따라, 냉매 도관(442)에 의해 형성된 냉매 유로는 두 군데의 절곡 부위(442a, 442b)를 갖는 바, 전체적으로 'ㄷ' 형상으로 이루어져 있다.
따라서, 종래의 전지모듈에 비해, 냉매 유로의 절곡이 최소화되어, 냉매의 압력 저하를 방지함으로써, 전체적인 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈에서 단위모듈의 냉각 매니폴드 요소들의 결합 부위의 구조를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이다;
도 7을 참조하면, 냉각 매니폴드 요소들(711, 712)은 프레임 부재의 일면으로부터 타면 쪽으로 관통하는 중공 구조로 이루어져 있고, 냉매 도관의 냉매 유입구(712, 722)가 연통되는 구조로 연결되어 있다.
냉각 매니폴드 요소들(711, 712)의 일측 단부들(711a, 712a)의 외경(R1)은 타측 단부들(711b, 712b)의 내경(R2)에 대응되는 크기로서, 이에 따라, 전지모듈을 제조하기 위해 단위모듈들(710, 720)이 밀착 배열되는 과정에서, 하나의 단위모듈(710)에 형성되어 있는 냉각 매니폴드 요소(711)의 일측 단부(711a)가 또 다른 단위모듈(720)에 형성되어 있는 냉각 매니폴드 요소(721)의 타측 단부(721b)에 삽입되는 구조로 이루어져 있다.
냉각 매니폴드 요소들(711, 712)의 일측 단부들(711a, 712a)에는 각각 외면을 따라 소정 깊이의 홈(722)이 형성되어 있고, 상기 홈(722)에는 O-ring으로 이루어진 수밀성 가스켓(723)이 개재되어 있다.
따라서, 냉각 매니폴드 요소들(711, 721)의 일측 단부들(711a, 712a)과 타측 단부들(711b, 712b) 사이의 결합 부위에서, 각각의 냉각 매니폴드 요소들(711, 712)의 미세한 사이즈의 차이, 마모, 또는 변형 등의 요소에 의해 발생할 수 있는 결합 불량 및 누수가 효과적으로 방지될 수 있다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 전지팩(800)은 둘 이상의 전지모듈들(811, 812)이 밀착 배열되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리(810)가 트레이 어셈블리(820)의 상면에 탑재되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지모듈 어셈블리(810)는 냉각 매니폴드 요소들(813, 814)이 트레이 어셈블리(820)의 상면을 향하도록 배열되어 있다.
전지모듈 어셈블리(810)와 대면하는 트레이 어셈블리(820)의 상면에는, 전지모듈 어셈블리(810)의 냉각 매니폴드 요소들(813, 814) 사이의 공간에 보강 비드(821)가 위치해 있다.
따라서, 종래의 전지모듈을 포함하는 전지팩에 비해, 트레이 어셈블리(820)의 강성이 향상되고, 이에 따라, 전지팩(800)의 전체적인 구조적 안정성이 향상된다.
또한, 전지모듈 어셈블리(810)는 상면에 두 개의 고정 빔들(831, 832)이 추가로 결합되어 있으며, 이에 따라, 전지팩(800) 내에서 전지모듈 어셈블리(810)의 유동을 방지하고, 상기 전지모듈 어셈블리(810)를 구성하는 전지모듈들(811, 812)을 정위치 고정된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은, 프레임 부재에서 일변의 양측 단부에 냉각 매니폴드 요소들을 일체형으로 형성하고, 상기 냉각 매니폴드 요소들에 연결된 냉매 도관에 의해 형성된 냉매 유로가 전체적으로 'ㄷ' 형상을 이루도록 구성함으로써, 냉매 도관의 절곡을 최소화해, 전지모듈의 제작 비용을 절감하고, 이에 따른 냉매의 압력 저하를 방지함으로써, 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 냉각 매니폴드 요소들의 결합 부위에 대한 육안 검사가 가능하므로, 제품의 불량률을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (26)

  1. 하나 또는 둘 이상의 전지셀;
    하나 또는 둘 이상의 전지셀의 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 프레임 부재로서, 상기 전지셀의 외주변 중의 일 변의 양 단부에 각각 위치한 냉각 매니폴드 요소를 포함하는 프레임 부재; 및
    상기 프레임 부재의 내부에 장착되어 전지셀과 대면 접촉하는 냉각 부재로서, 전지셀에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 판상형의 냉각 핀, 및 상기 냉각 핀의 외주변에 위치한 중공 구조의 냉매 도관을 포함하고 있는 냉각 부재;
    를 포함하고 있는 단위모듈이 둘 이상의 개수로 밀착 배열된 구조로 이루어져 있고,
    상기 냉매 도관은, 단위모듈의 프레임 부재의 냉각 매니폴드 요소들에, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 각각 연통되는 구조로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체가 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치형 전지케이스의 수납부에 장착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 매니폴드 요소는 프레임 부재를 관통하는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각 매니폴드 요소는 프레임 부재의 일면으로부터 타면 쪽으로 관통하는 중공 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈들의 냉각 매니폴드 요소들은 상호 연통되도록 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각 매니폴드 요소들의 연결 부위에는 수밀성 가스켓(gasket)이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 사출 성형에 의해 냉각 부재와 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 도관은 냉각 핀과 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 도관은, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 형성되어 있는 부위에 대응하는 냉각 핀의 일 변을 제외한, 냉각 핀의 나머지 외주변을 감싸는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 도관에 의해 형성되는 냉매 유로는 전체적으로 'ㄷ' 형상인 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 도관의 냉매 유입구와 냉매 배출구는 각각의 단부가 전지모듈의 하부를 향하는 방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 냉각 매니폴드 요소들이 형성된 일 변에 대향하는 타 변의 양측 단부가 각각 돌출 연장된 상단 체결 연장부를 포함하고 있고, 상기 상단 체결 연장부에는 상단 체결공이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 냉각 매니폴드 요소가 형성된 부위로부터 돌출 연장된 하나 이상의 하단 체결 연장부를 포함하고 있고, 상기 하단 체결 연장부에는 하단 체결공이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 상단 체결공 및 하단 체결공에는 단위모듈들을 상호 정위치 고정하기 위한 체결 빔(beam)이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 부재의 냉각 핀은, 냉매 도관의 냉매 유입구와 냉매 배출구가 위치한 일변에서, 상기 냉매 유입구와 냉매 배출구에 인접한 부위에 냉각 핀의 일부가 돌출 연장된 하나 이상의 고정 체결 연장부를 각각 포함하고 있고, 상기 고정 체결 연장부에는 고정 체결공이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 냉각 부재는 고정 체결공과 프레임 부재를 관통하는 고정 체결구에 의해 상기 프레임 부재에 고정되는 것을 특징으로 하는 전지모듈.
  17. 제 1 항에 따른 전지모듈을 포함하고 있는 전지팩으로서, 둘 이상의 전지모듈들이 밀착 배열되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리가 트레이(tray) 어셈블리의 상면에 탑재되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는 냉각 매니폴드 요소들이 트레이 어셈블리의 상면을 향하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 트레이 어셈블리는, 전지모듈 어셈블리와 대면하는 상면에서, 상기 전지모듈 어셈블리의 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간에 위치한 보강 비드(bead)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 보강 비드의 높이는, 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간에서, 전지모듈 어셈블리가 트레이 어셈블리의 상면으로부터 이격되어 있는 높이에 대해 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 보강 비드의 폭은, 냉각 매니폴드 요소들 사이의 공간에서, 상기 냉각 매니폴드 요소들 사이의 폭에 대해 10% 내지 90%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 보강 비드는 트레이 어셈블리의 상면에 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 보강 비드는 트레이 어셈블리의 상면에 결합되는 별도의 부재 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  24. 제 17 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는 트레이 어셈블리의 상면과 대면하는 일 면의 대향면에 하나 이상의 고정 빔이 추가로 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  25. 제 17 항에 따른 전지팩을 하나 이상 포함하는 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 디바이스는 파워 툴, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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