WO2021221324A1 - 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2021221324A1
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module
battery
lower cover
pack
refrigerant
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천용호
김동현
장병도
이형석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack preventing refrigerant leakage and a device including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a method to solve air pollution such as conventional gasoline vehicles using fossil fuels, and electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is being used as a power source, and the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are free and easy. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are respectively applied with a separator interposed therebetween, and a battery case in which the electrode assembly is sealed and accommodated together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected this is used in such a battery module, a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery management system (BMS) and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS battery management system
  • a plurality of secondary batteries that is, a battery module or battery pack having battery cells, may have a higher temperature more rapidly and severely because heat emitted from the plurality of battery cells is added up in a narrow space.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are stacked and a battery pack equipped with such a battery module, high output can be obtained, but it is not easy to remove heat generated from the battery cells during charging and discharging. If the heat dissipation of the battery cell is not performed properly, the deterioration of the battery cell is accelerated, the lifespan is shortened, and the possibility of explosion or ignition increases.
  • a battery module included in a vehicle battery pack it may be frequently exposed to direct sunlight, and may be subjected to high temperature conditions such as summer or desert areas.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 1 .
  • FIG. 2 further illustrates a heat transfer member and a heat sink positioned under the battery module.
  • a plurality of battery cells 11 are stacked to form a battery cell stack 20 , and the battery cell stack 20 includes a module frame 30 . ) is stored in
  • the battery module 10 since it includes a plurality of battery cells 11 , the battery module 10 generates a large amount of heat during charging and discharging.
  • the battery module 10 may include a thermally conductive resin layer 40 positioned between the battery cell stack 20 and the bottom 31 of the module frame 30 .
  • the heat transfer member 50 and the heat sink 60 may be sequentially positioned under the battery module 10 .
  • the heat transfer member 50 may be a heat dissipation pad, and the heat sink 60 may have a refrigerant passage formed therein.
  • Heat generated from the battery cell 11 passes through the thermal conductive resin layer 40 , the bottom part 31 of the module frame 30 , the heat transfer member 50 , and the heat sink 60 in order of the battery module 10 . transmitted to the outside.
  • the heat transfer path is complicated as described above, and it is difficult to effectively transfer the heat generated from the battery cell 11 .
  • the module frame 30 itself may reduce the heat conduction characteristics, and a minute such as an air gap that may be formed between each of the module frame 30 , the heat transfer member 50 and the heat sink 60 .
  • the air layer may also be a factor that deteriorates the heat conduction characteristics.
  • An object of the present invention is to provide a battery pack having improved cooling performance and a device including the same.
  • a battery pack includes a plurality of battery modules; a pack refrigerant tube assembly disposed between the battery modules facing each other among the plurality of battery modules; a pack refrigerant pipe lower cover covering the lower part of the pack refrigerant pipe assembly; a module tray located under the lower cover of the pack refrigerant pipe; and a lower housing located below the module tray, wherein a lower cover opening is formed in the lower cover of the pack refrigerant pipe, and the lower cover opening is connected to a space formed between the module tray and the lower housing.
  • the plurality of battery modules may include: a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a module frame for accommodating the battery cell stack; a heat sink formed at the bottom of the module frame; and a cooling port for supplying a refrigerant to the heat sink and discharging the refrigerant from the heat sink, respectively, wherein the cooling port is located on the lower cover opening.
  • the module frame may include a module frame protrusion formed by protruding a portion of the bottom of the module frame, and the cooling port may be protruded from the bottom to the top to pass through the lower cover opening on the module frame protrusion.
  • the cooling port formed in one battery module and the cooling port formed in the other battery module are arranged to face each other, the lower cover opening is formed in plurality, and two cooling ports are arranged to face each other.
  • the ports may co-locate on the lower cover opening of one of the plurality of the lower cover openings.
  • the module tray may include a module tray opening, and the cooling port may be located on the module tray opening.
  • the lower cover opening may be connected to a space formed between the module tray and the lower housing through the module tray opening.
  • the module tray may be integrally formed along an outer portion of each of the plurality of battery modules, and the module tray gasket may be formed along an outer portion of the module tray.
  • It may further include a lower cover gasket formed between the pack refrigerant pipe lower cover and the module tray, wherein the lower cover gasket seals between the pack refrigerant pipe lower cover and the module tray.
  • the lower cover gasket may be formed outside the lower cover opening and the module tray opening.
  • It may further include a pack refrigerant tube upper cover that covers the upper portion of the pack refrigerant tube assembly.
  • a device includes the battery pack.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a perspective view of the battery module of FIG. 3 viewed from the bottom of the battery module along the z-axis direction.
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged plan view of the area indicated by P in the battery pack of FIG. 6 .
  • FIG. 8 is a view in which the pack refrigerant pipe lower cover and the pack refrigerant pipe upper cover are removed in FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 7 .
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B' of FIG.
  • FIG. 11 is a schematic view showing the configuration of a portion cut along the cutting line A-A' of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic view showing the configuration of a portion cut along the cutting line B-B' of FIG.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of a battery pack refrigerant leakage preventing structure according to an embodiment of the present invention.
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference portion means to be located above or below the reference portion, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "in cross-section” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 3 .
  • 5 is a perspective view of the battery module of FIG. 3 viewed from the bottom of the battery module along the z-axis direction.
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, and a battery cell stack 120 . It includes a module frame 200 for accommodating, and a heat sink 300 positioned under the bottom portion 210a of the module frame 200 .
  • the bottom part 210a of the module frame 200 constitutes an upper plate of the heat sink 300
  • the recessed part 340 of the heat sink 300 and the bottom part 210a of the module frame 200 are the refrigerant passages.
  • the battery cell 110 may be a pouch-type battery cell.
  • a pouch-type battery cell may be formed by accommodating an electrode assembly in a pouch case of a laminate city including a resin layer and a metal layer, and then thermally sealing a sealing part of the pouch case.
  • the battery cell 110 may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked in a direction parallel to the x-axis.
  • the module frame 200 accommodating the battery cell stack 120 may include an upper cover 220 and a U-shaped frame 210 .
  • the U-shaped frame 210 may include a bottom portion 210a and two side portions 210b extending upward from both ends of the bottom portion 210a.
  • the bottom portion 210a may cover the lower surface of the battery cell stack 120
  • the side portion 210b may cover both side surfaces of the battery cell stack 120 .
  • the upper cover 220 may be formed in a plate-shaped structure that covers the lower surface covered by the U-shaped frame 210 and the upper surface (z-axis direction) other than the both sides.
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may form a structure that covers the battery cell stack 120 up, down, left, and right by being coupled by welding or the like in a state in which the corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the battery cell stack 120 may be physically protected through the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 .
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may include a metal material having a predetermined strength.
  • the module frame 200 may be a mono frame in the form of a metal plate in which the upper surface, the lower surface and both sides are integrated. That is, the U-shaped frame 210 and the upper cover 220 are not mutually coupled to each other, but may be manufactured by extrusion molding to have a structure in which the upper surface, the lower surface, and both sides are integrated.
  • the end plate 400 may be positioned on both open sides (y-axis direction) corresponding to the open of the module frame 200 to cover the battery cell stack 120 .
  • the end plate 400 may physically protect the battery cell stack 120 and other electrical components from external impact.
  • a bus bar frame on which a bus bar is mounted and an insulating cover for electrical insulation may be positioned between the battery cell stack 120 and the end plate 400 .
  • the module frame 200 includes a module frame protrusion 211 formed so that the bottom portion 210a of the module frame 200 extends and passes through the end plate 400 .
  • the refrigerant introduced and discharged by the cooling port 500 connected to the upper surface of the module frame protrusion 211 is supplied to and from the heat sink 300 through the module frame protrusion 211 .
  • the cooling port 500 according to this embodiment includes a refrigerant injection port 500a and a refrigerant discharge port 500b, and the refrigerant injection port 500a and the refrigerant discharge port 500b are a pack refrigerant supply pipe and a pack refrigerant to be described later. It can be respectively connected to the discharge pipe.
  • the module frame protrusion 211 includes a first module frame protrusion and a second module frame protrusion from one side of the module frame 200, and the refrigerant injection port 500a is disposed on the first module frame protrusion, and a refrigerant discharge port 500b may be disposed on the second module frame protrusion.
  • a protrusion pattern 340D may be formed on the lower plate 310 of the heat sink 300 according to the present embodiment.
  • the width of the refrigerant passage can be formed wider, so that the temperature deviation is more can be severe
  • it may include a case in which about 32 to 48 battery cells are stacked in one battery module compared to the case in which about 12 to 24 battery cells are stacked in one battery module. .
  • the protrusion pattern 340D according to the present embodiment has an effect of substantially reducing the width of the cooling passage, thereby minimizing the pressure drop and reducing the temperature deviation between the widths of the refrigerant passage. Therefore, it is possible to implement a uniform cooling effect.
  • the bottom portion 210a of the module frame 200 constitutes the upper plate of the heat sink 300 , and the recessed portion 340 of the heat sink 300 and The bottom portion 210a of the module frame 200 forms a flow path of the refrigerant.
  • the heat sink 300 is formed under the module frame 200 , the heat sink 300 forms a skeleton of the heat sink 300 , and the bottom portion 210a of the module frame 200 and
  • the lower plate 310 which is directly coupled by welding, etc., is formed on one side of the heat sink 300 and is formed on one side of the inlet 320 and the heat sink 300 for supplying refrigerant from the outside to the inside of the heat sink 300
  • the outlet 330 for allowing the refrigerant flowing from the inside of the heat sink 300 to be discharged to the outside of the heat sink 300, and the recessed portion 340 that connects the inlet 320 and the outlet 330 and is a path through which the refrigerant flows. may include.
  • the inlet 320 and the outlet 330 may be formed at positions corresponding to the module frame protrusion 211 so as to be connected to the lower surface of the module frame protrusion 211 .
  • the inlet 320 and the outlet 330 may be formed on the heat sink protrusion 300P protruding from one side of the heat sink 300 to the portion where the module frame protrusion 211 is located.
  • the heat sink protrusion 300P and the module frame protrusion 211 may be directly coupled to each other by welding or the like.
  • the recessed portion 340 of the heat sink 300 corresponds to a portion in which the lower plate 310 is recessed downward.
  • the recessed part 340 may be a U-shaped tube with a cross-section cut in the xy plane perpendicular to the direction in which the coolant flow path extends, and the bottom portion 210a may be located on the open upper side of the U-shaped tube.
  • the space between the recessed portion 340 and the bottom portion 210a becomes a region through which the coolant flows, that is, a flow path of the coolant. Accordingly, the bottom portion 210a of the module frame 200 may be in direct contact with the refrigerant.
  • the recessed part 340 of the heat sink 300 there is no particular limitation on the manufacturing method of the recessed part 340 of the heat sink 300, but by providing a structure recessed with respect to the plate-shaped heat sink 300, the U-shaped recessed part 340 with an open upper side may be formed.
  • a thermally conductive resin layer including a thermally conductive resin may be positioned between the bottom 210a of the module frame 200 of FIG. 4 and the battery cell stack 120 .
  • the thermally conductive resin layer may be formed by applying a thermally conductive resin to the bottom portion 210a, and curing the applied thermally conductive resin.
  • the thermally conductive resin may include a thermally conductive adhesive material, and specifically, may include at least one of a silicone material, a urethane material, and an acrylic material.
  • the thermally conductive resin may serve to fix one or more battery cells 110 constituting the battery cell stack 120 by being liquid during application or curing after application. In addition, heat generated in the battery cell 110 can be quickly transferred to the lower side of the battery module because of its excellent thermal conductivity.
  • the heat generated in the battery cell 11 is transferred to the thermal conductive resin layer 40 , the bottom part 31 of the module frame 30 , the heat transfer member 50 and the heat sink. It is sequentially transferred to the outside of the battery module 10 through the refrigerant of (60). Also, the flow path of the refrigerant of the heat sink 60 is located inside the heat sink 60 .
  • the battery module 100 implements a cooling integrated structure of the module frame 200 and the heat sink 300 to further improve cooling performance. Since the bottom portion 210a of the module frame 200 serves to correspond to the top plate of the heat sink 300 , a cooling integrated structure may be implemented. Cooling efficiency increases due to direct cooling, and the heat sink 300 is integrated with the bottom part 210a of the module frame 200 to further improve the space utilization rate on the battery module and the battery pack on which the battery module is mounted. can
  • the heat generated in the battery cell 110 is a thermally conductive resin layer (not shown) positioned between the battery cell stack 120 and the bottom part 210a, the bottom part 210a of the module frame 200, It may be transferred to the outside of the battery module 100 through the refrigerant.
  • the heat transfer path is simplified and the air gap between each layer can be reduced, so that the cooling efficiency or performance can be increased.
  • the bottom portion 210a is constituted by the upper plate of the heat sink 300 and the bottom portion 210a directly contacts the coolant, there is an advantage that more direct cooling is possible through the coolant.
  • the upper configuration of the heat transfer member 50 and the heat sink 60 is positioned between the bottom part 31 and the refrigerant, which can be compared with a decrease in cooling efficiency.
  • the height of the battery module 100 is reduced through the removal of the unnecessary cooling structure, thereby making it possible to reduce costs and increase space utilization. Furthermore, since the battery module 100 can be arranged compactly, the capacity or output of the battery pack including a plurality of the battery modules 100 can be increased.
  • the bottom portion 210a of the module frame 200 may be joined to a portion of the lower plate 310 in which the recessed portion 340 is not formed in the heat sink 300 by welding.
  • the above-described cooling performance is improved as well as the battery cell stack 120 accommodated in the module frame 200 . It may have the effect of supporting the load of the battery module 100 and reinforcing the rigidity of the battery module 100 .
  • the lower plate 310 and the bottom portion 210a of the module frame 200 are sealed through welding, etc., so that the refrigerant can flow through the depression 340 formed inside the lower plate 310 without leakage. have.
  • the recessed portion 340 is formed over the entire area corresponding to the bottom portion 210a of the module frame 200 .
  • the recessed portion 340 may be bent at least once and lead from one side to the other.
  • the depression portion 340 is preferably bent several times.
  • Refrigerant flows into between the bottom part 210a and the recessed part 340 from the pack refrigerant supply pipe to be described later through the inlet 320, and the introduced refrigerant moves along the refrigerant flow path and then through the outlet 330 to the pack refrigerant discharge pipe. can be emitted.
  • efficient cooling of the entire area of the battery cell stack 120 can be achieved. .
  • the refrigerant is a medium for cooling, and there is no particular limitation, but may be cooling water.
  • FIGS. 6 to 10 a structure of a battery pack according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 10 .
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 7 is an enlarged plan view of the area indicated by P in the battery pack of FIG. 6 .
  • 8 is a view in which the pack refrigerant pipe lower cover and the pack refrigerant pipe upper cover are removed in FIG. 7 .
  • 9 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of FIG. 7 .
  • 10 is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B' of FIG.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention includes a plurality of battery modules 100 and a pack refrigerant tube assembly disposed between the battery modules facing each other among the plurality of battery modules 100 . 600, the pack refrigerant pipe lower cover 700 covering the lower part of the pack refrigerant pipe assembly 600, the module tray 800 and the module tray 800 located below the pack refrigerant pipe lower cover 700. and a lower housing 900 located therein.
  • the plurality of battery modules 100 included in the battery pack according to the present embodiment are arranged in two rows in the direction in which the battery cells are stacked, and face each other in a direction perpendicular to the direction in which the battery cells are stacked. It includes a first battery module and a second battery module.
  • the first battery module and the second battery module may refer to the battery module 100 spaced apart from each other on the left and right in FIG. 6 .
  • a pack refrigerant pipe assembly 600 , a pack refrigerant pipe lower cover 700 , and a pack refrigerant pipe upper cover 740 may be disposed between the first battery module and the second battery module.
  • the pack refrigerant pipe assembly 600 is disposed between the battery modules 100 adjacent to each other.
  • cooling ports 500 formed in each of the battery modules 100 adjacent to each other as shown in FIGS. 8 and 9 are provided. All can be placed.
  • the refrigerant injection port 510 formed in one battery module of the neighboring battery modules 100 and the refrigerant discharge port 520 formed in the other battery module 100 may be disposed to face each other.
  • the pack refrigerant supply pipe 621 and the pack refrigerant discharge pipe 622 may extend while crossing each other.
  • a pack refrigerant pipe 620 arrangement structure it is possible to implement an integrated structure of a plurality of battery modules 100 and a cooling structure in the battery pack while increasing space utilization and at the same time improving cooling efficiency.
  • the height of the pack refrigerant supply pipe 621 and the height of the pack refrigerant discharge pipe 622 may be different from each other so as to have the arrangement structure of the pack refrigerant pipe 620 as described above.
  • a portion in which the height of the pack refrigerant supply pipe 621 and the height of the pack refrigerant discharge pipe 622 are different from each other may be a part.
  • the connection port 610 connects the cooling port 500 and the pack refrigerant pipe 620 .
  • the cooling port 500 includes a refrigerant injection port 510 and a refrigerant discharge port 520
  • the pack refrigerant pipe 620 includes a pack refrigerant supply pipe 621 connected to the refrigerant injection port 510 and It includes a pack refrigerant discharge pipe 622 connected to the refrigerant discharge port 520
  • the connection port 610 is between the refrigerant injection port 510 and the pack refrigerant supply pipe 621 and the refrigerant discharge port 520 and the pack refrigerant discharge pipe ( 622) can be connected to each other.
  • connection port 610 is connected to each of the refrigerant injection ports 510 for supplying the refrigerant to the plurality of battery modules 100 and each of the refrigerant discharge ports 520 for discharging the refrigerant from the plurality of battery modules 100, respectively. connected.
  • the pack refrigerant pipe lower cover 700 accommodates the pack refrigerant pipe assembly 600 and covers the refrigerant leaked from the pack refrigerant pipe assembly 600 so as not to leak to the surrounding battery modules, and at the same time closes the lower cover opening to be described later.
  • the refrigerant leaked through the battery pack may be guided to the lower space of the battery pack.
  • the module tray 800 may be positioned under the plurality of battery modules 100 to have a structure in which the plurality of battery modules 100 may be disposed and seated at a designated position.
  • a plurality of battery modules 100 are disposed to be spaced apart from each other through the module tray 800 , and a space for parts arrangement may be provided so that the pack refrigerant tube assembly 600 may be positioned in the spaced space.
  • the lower housing 900 is positioned below the module tray 800 .
  • a space S is formed between the lower housing 900 and the module tray 800 .
  • a lower cover opening 710 is formed in the pack refrigerant pipe lower cover 700
  • the lower cover opening 710 is a space S formed between the module tray 800 and the lower housing 900 . is connected with Accordingly, the refrigerant leaked from the pack refrigerant pipe assembly 600 may be guided to the space S formed between the module tray 800 and the lower housing 900 through the lower cover opening 710 .
  • a refrigerant leaks from various members forming a cooling structure and a connection part of such members it is guided to a predetermined path, and the module tray 800 and the lower housing 900 under the battery pack. ) by allowing it to be stored in the space S, it is possible to prevent the possibility of a fire through a short circuit by infiltrating the leaked refrigerant into the electrical equipment.
  • FIG. 11 is a schematic view showing the configuration of a portion cut along the cutting line A-A' of FIG. 12 is a schematic view showing the configuration of a portion cut along the cutting line B-B' of FIG. 13 is an exploded perspective view of a battery pack refrigerant leakage preventing structure according to an embodiment of the present invention.
  • the cooling port 500 may be located on the lower cover opening 710 .
  • the cooling port 500 may be formed on the module frame protrusion 211 to pass through the lower cover opening 710 from the lower side to the upper side. Through this, the refrigerant leaked from the cooling port 500 , the connection port 610 connected thereto, and the pack refrigerant pipe 620 may be guided to the lower space S through the lower cover opening 710 .
  • the cooling port 500 formed in one battery module of the battery modules 100 facing each other and the cooling port 500 ′ formed in the other battery module are disposed to face each other and ,
  • the lower cover opening 710 is formed in plurality, and the two cooling ports 500 and 500 ′ arranged to face each other are located together on one lower cover opening 710 of the plurality of lower cover openings 710 .
  • the module tray 800 may include a module tray opening 810 , and the cooling port 500 may be located on the module tray opening 810 .
  • the lower cover opening 710 may be connected to the space S formed between the module tray 800 and the lower housing 900 through the module tray opening 810 .
  • a module tray gasket 820 formed between the module tray 800 and the lower housing 900 may be further included.
  • the module tray 800 may be integrally formed along the outer portion of each of the plurality of battery modules 100 , and the module tray gasket 820 may be formed along the outer portion of the module tray 800 .
  • the module tray gasket 820 may seal between the module tray 800 and the lower housing 900 . Through this, it is possible to prevent the refrigerant flowing into the space S between the module tray 800 and the lower housing 900 from leaking to the outside.
  • It may further include a lower cover gasket 720 formed between the pack refrigerant pipe lower cover 700 and the module tray 800 .
  • the lower cover gasket 720 may be formed outside the lower cover opening 710 and the module tray opening 810 .
  • the lower cover gasket 720 may seal between the pack refrigerant pipe lower cover 700 and the module tray 800 .
  • the lower cover gasket 720 is installed between the module tray 800 and the pack refrigerant pipe lower cover ( 700), the refrigerant that has passed through the lower cover opening 710 may be introduced into the space S between the module tray 800 and the lower housing 900 through the module tray opening 810 without leakage.
  • a pack refrigerant pipe upper cover 740 covering the upper part of the pack refrigerant pipe assembly 600 may be further included.
  • the pack refrigerant pipe upper cover 740 may physically protect the pack refrigerant pipe assembly 600 from external impact together with the pack refrigerant pipe lower cover 700 .
  • the battery pack according to the present embodiment is a structure in which one or more battery modules according to the present embodiment are collected and packed by adding a battery management system (BMS) that manages the temperature or voltage of the battery and a cooling device can
  • BMS battery management system
  • the above-described battery module and battery pack including the same may be applied to various devices. These devices can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., but the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same. It belongs to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈; 상기 복수의 전지 모듈 중 서로 마주보는 전지 모듈 사이에 배치된 팩 냉매관 어셈블리; 상기 팩 냉매관 어셈블리의 하부를 커버하는 팩 냉매관 하부 커버; 상기 팩 냉매관 하부 커버의 하측에 위치한 모듈 트레이; 및 상기 모듈 트레이 하측에 위치한 하부 하우징을 포함하고, 상기 팩 냉매관 하부 커버에는 하부 커버 개구부가 형성되고, 상기 하부 커버 개구부는 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 공간과 연결되어 있다.

Description

전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 04월 28일자 한국 특허 출원 제10-2020-0051168호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 냉매 누출이 방지되는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
소형 기기들에 이용되는 이차 전지의 경우, 2-3개의 전지셀들이 배치되나, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에 이용되는 이차 전지의 경우는, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지 모듈(Battery module)이 이용된다. 이러한 전지 모듈은 다수의 전지셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 전지셀 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상된다. 또한, 하나 이상의 전지 모듈은 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지 팩을 형성할 수 있다.
이차 전지는, 적정 온도보다 높아지는 경우 이차 전지의 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 특히, 다수의 이차 전지, 즉 전지 셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지 셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다.
따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다. 특히 도 2는 전지 모듈 아래에 위치한 열전달 부재 및 히트 싱크를 추가로 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층되어 전지셀 적층체(20)를 형성하고, 전지셀 적층체(20)는 모듈 프레임(30)에 수납된다.
앞서 설명한대로, 복수의 전지셀(11)을 포함하기 때문에 전지 모듈(10)은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 냉각 수단으로써, 전지 모듈(10)은 전지셀 적층체(20)와 모듈 프레임(30)의 바닥부(31) 사이에 위치한 열전도성 수지층(40)을 포함할 수 있다. 또한, 전지 모듈(10)이 팩 프레임에 장착되어 전지팩을 형성할 때, 전지 모듈(10) 아래에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)가 차례로 위치할 수 있다. 열전달 부재(50)는 방열 패드일 수 있으며, 히트 싱크(60)는 내부에 냉매 유로가 형성될 수 있다.
전지셀(11)로부터 발생한 열이, 열전도성 수지층(40), 모듈 프레임(30)의 바닥부(31), 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달된다.
그런데, 종래의 전지 모듈(10)의 경우, 상기와 같이 열 전달 경로가 복잡하여, 전지셀(11)로부터 발생한 열이 효과적으로 전달되기 어렵다. 모듈 프레임(30) 자체가 열 전도 특성을 저하시킬 수 있고, 모듈 프레임(30), 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60) 각각의 사이에 형성될 수 있는 에어 갭(Air gap) 등의 미세한 공기층도 열전도 특성을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
전지 모듈에 대해서는 소형화나 용량 증대와 같은 다른 요구도 계속되고 있으므로, 냉각 성능은 높이면서도 이러한 다양한 요구사항을 함께 만족할 수 있는 전지 모듈을 개발하는 것이 실질적으로 필요하다고 할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 성능이 향상된 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈; 상기 복수의 전지 모듈 중 서로 마주보는 전지 모듈 사이에 배치된 팩 냉매관 어셈블리; 상기 팩 냉매관 어셈블리의 하부를 커버하는 팩 냉매관 하부 커버; 상기 팩 냉매관 하부 커버의 하측에 위치한 모듈 트레이; 및 상기 모듈 트레이 하측에 위치한 하부 하우징을 포함하고, 상기 팩 냉매관 하부 커버에는 하부 커버 개구부가 형성되고, 상기 하부 커버 개구부는 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 공간과 연결되어 있다.
상기 복수의 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임; 상기 모듈 프레임의 바닥부에 형성된 히트 싱크; 및 상기 히트 싱크에 냉매를 공급 및 상기 히트 싱크로부터 냉매를 배출하는 냉각 포트를 각각 포함하고, 상기 냉각 포트는 상기 하부 커버 개구부 상에 위치할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 일부가 돌출되어 형성된 모듈 프레임 돌출부를 포함하고, 상기 냉각 포트는 상기 모듈 프레임 돌출부 상에서, 상기 하부 커버 개구부 내부를 하측에서 상측으로 통과하도록 돌출 형성될 수 있다.
상기 서로 마주보는 전지 모듈들 중 하나의 전지 모듈에 형성된 냉각 포트와 다른 하나의 전지 모듈에 형성된 냉각 포트는 서로 마주보도록 배치되고, 상기 하부 커버 개구부는 복수개로 형성되며, 서로 마주보도록 배치된 두 냉각 포트는 복수의 상기 하부 커버 개구부 중 하나의 상기 하부 커버 개구부 상에 함께 위치할 수 있다.
상기 모듈 트레이는 모듈 트레이 개구부를 포함하고, 상기 냉각 포트는 상기 모듈 트레이 개구부 상에 위치할 수 있다.
상기 하부 커버 개구부는 상기 모듈 트레이 개구부를 통해 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 공간과 연결될 수 있다.
상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 모듈 트레이 가스켓을 더 포함하고, 상기 모듈 트레이 가스켓은 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이를 밀봉할 수 있다.
상기 모듈 트레이는 상기 복수의 전지 모듈 각각의 외곽부분을 따라 일체로 형성되고, 상기 모듈 트레이 가스켓은 상기 모듈 트레이의 외곽 부분을 따라 형성될 수 있다.
상기 팩 냉매관 하부 커버와 상기 모듈 트레이 사이에 형성된 하부 커버 가스켓을 더 포함하고, 상기 하부 커버 가스켓은 상기 팩 냉매관 하부 커버와 상기 모듈 트레이 사이를 밀봉할 수 있다.
상기 하부 커버 가스켓은 상기 하부 커버 개구부 및 모듈 트레이 개구부 바깥쪽에 형성될 수 있다.
상기 팩 냉매관 어셈블리의 상부를 커버하는 팩 냉매관 상부 커버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상기 전지 팩을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지 모듈 내부로 누출된 냉매의 침투를 방지하여 단락에 따른 화재 발생 가능성을 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 전지 모듈의 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 전지팩에서 P로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 8은 도 7에서 팩 냉매관 하부 커버 및 팩 냉매관 상부 커버를 제거한 모습이다.
도 9는 도 7의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다.
도 10은 도 7의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면도이다.
도 11은 도 7의 절단선 A-A’를 따라 자른 부분의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 12는 도 7의 절단선 B-B’를 따라 자른 부분의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩 냉매 누출 방지 구조의 분해 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참고하여 본 실시예에 따른 전지 모듈에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈의 분해 사시도이다. 도 5는 도 3의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 전지 모듈의 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200), 및 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 히트 싱크(300)를 포함한다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매 유로를 형성한다.
우선, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시티의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 실링부를 열융착하여 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 커버(220) 및 U자형 프레임(210)을 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면을 커버할 수 있다.
상부 커버(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 서로 대응하는 양측(y축 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 전지셀 적층체(120)와 엔드 플레이트(400) 사이에는 버스바가 장착되는 버스바 프레임 및 전기적 절연을 위한 절연 커버 등의 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 연장되어 엔드 플레이트(400)를 지나도록 형성된 모듈 프레임 돌출부(211)를 포함한다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(211)의 상면부와 연결되는 냉각 포트(500)에 의해 유입 및 배출되는 냉매가, 모듈 프레임 돌출부(211)를 통해 히트 싱크(300)로 공급 및 히트 싱크(300)로부터 배출될 수 있다. 본 실시예에 따른 냉각 포트(500)는 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)를 포함하고, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)는 후술하는 팩 냉매 공급관 및 팩 냉매 배출관과 각각 연결될 수 있다. 모듈 프레임 돌출부(211)는 모듈 프레임(200) 일측에서 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함하고, 냉매 주입 포트(500a)는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 배치되고, 냉매 배출 포트(500b)는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 하부 플레이트(310)에는 돌출 패턴(340D)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 대면적 전지 모듈에서는, 기존에 하나의 전지 모듈 내에 대략 12개 내지 24개의 전지셀이 적층된 경우 대비하여 대략 32개 내지 48개의 전지셀이 하나의 전지 모듈 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 돌출 패턴(340D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참고하여 본 실시예에 따른 히트 싱크에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 상술한 바 대로, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성한다.
구체적으로, 히트 싱크(300)는 모듈 프레임(200)의 하부에 형성되고, 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접 등으로 직접 결합하는 하부 플레이트(310), 히트 싱크(300)의 일측에 형성되어 외부로부터 히트 싱크(300) 내부로 냉매를 공급하는 인렛(320), 히트 싱크(300)의 일측에 형성되어 히트 싱크(300) 내부에서 유동된 냉매가 히트 싱크(300) 외부로 배출되도록 하는 아웃렛(330), 및 인렛(320)과 아웃렛(330)을 연결하고 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 수 있다. 인렛(320)과 아웃렛(330)은, 모듈 프레임 돌출부(211)의 하면부와 연결되도록, 모듈 프레임 돌출부(211)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 이를 위해, 인렛(320)과 아웃렛(330)은 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 모듈 프레임 돌출부(211)가 위치한 부분으로 돌출된 히트 싱크 돌출부(300P)에 형성될 수 있다. 히트 싱크 돌출부(300P)와 모듈 프레임 돌출부(211)는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합될 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)는, 하부 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(340)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xy평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(300)가 바닥부(210a)와 접하면서, 함몰부(340)와 바닥부(210a) 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(300)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 4의 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함하는 열전도성 수지층이 위치할 수 있다. 상기 열전도성 수지층은 열전도성 수지(Thermal resin)를 바닥부(210a)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
도 2에 도시된 종래의 전지 모듈(10)은 전지셀(11)에서 발생한 열이 열전도성 수지층(40), 모듈 프레임(30)의 바닥부(31), 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)의 냉매를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 전달된다. 또한 히트 싱크(60)의 냉매의 유로는 히트 싱크(60) 내부에 위치한다.
반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)과 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 함으로써 냉각 일체형 구조를 구현할 수 있다. 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(300)가 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈 및 전지 모듈이 장착된 전지팩 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)에서 발생한 열이 전지셀 적층체(120)와 바닥부(210a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(미도시), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a), 냉매를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달될 수 있다. 종래의 불필요한 냉각 구조를 제거함으로써, 열전달 경로가 단순화되고, 각 층 사이의 에어 갭을 줄일 수 있기 때문에 냉각 효율이나 성능이 증대될 수 있다. 특히, 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트로 구성되어, 바닥부(210a)가 바로 냉매와 맞닿기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 있다. 종래에는 도 2에 도시한 것처럼 바닥부(31)와 냉매 사이에 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(60)의 상부 구성이 위치하여 냉각 효율이 떨어지는 것과 비교될 수 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조의 제거를 통해 전지 모듈(100)의 높이가 감소하여, 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있다. 나아가, 전지 모듈(100)이 콤팩트하게 배치될 수 있으므로, 전지 모듈(100)을 다수 포함하는 전지팩의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300) 중 함몰부(340)가 형성되지 않은 하부 플레이트(310) 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(200)에 수용된 전지셀 적층체(120)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 하부 플레이트(310)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 하부 플레이트(310) 내측에 형성된 함몰부(340)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되기 위해 함몰부(340)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다.
후술하는 팩 냉매 공급관으로부터 인렛(320)을 통해 냉매가 바닥부(210a)와 함몰부(340) 사이로 유입되고, 유입된 냉매가 냉매 유로를 따라 이동한 후 아웃렛(330)을 통해 팩 냉매 배출관으로 배출될 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩의 구조에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6의 전지팩에서 P로 표시한 영역을 확대하여 나타낸 평면도이다. 도 8은 도 7에서 팩 냉매관 하부 커버 및 팩 냉매관 상부 커버를 제거한 모습이다. 도 9는 도 7의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면도이다. 도 10은 도 7의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면도이다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 모듈(100), 복수의 전지 모듈(100) 중 서로 마주보는 전지 모듈 사이에 배치된 팩 냉매관 어셈블리(600), 팩 냉매관 어셈블리(600)의 하부를 커버하는 팩 냉매관 하부 커버(700), 팩 냉매관 하부 커버(700)의 하측에 위치한 모듈 트레이(800) 및 모듈 트레이(800) 하측에 위치한 하부 하우징(900)을 포함한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩에 포함된 복수의 전지 모듈(100)은 전지셀이 적층되는 방향으로 2열 배치되고, 전지셀이 적층되는 방향에 수직한 방향으로 서로 마주보는 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈을 포함한다. 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈은 도 6에서 좌우로 서로 이격되어 있는 전지 모듈(100)을 가리킬 수 있다. 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 사이에 팩 냉매관 어셈블리(600), 팩 냉매관 하부 커버(700) 및 팩 냉매관 상부 커버(740)가 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 팩 냉매관 어셈블리(600)는 서로 이웃하는 전지 모듈(100) 사이에 배치된다. 팩 냉매관 어셈블리(600)가 배치된 서로 이웃하는 전지 모듈(100) 사이의 공간에는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 서로 이웃하는 전지 모듈(100) 각각에 형성된 냉각 포트(500)가 모두 배치될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 전지 모듈(100)들 중 하나의 전지 모듈에 형성된 냉매 주입 포트(510)와 다른 하나의 전지 모듈(100)에 형성된 냉매 배출 포트(520)가 서로 마주보면서 배치될 수 있다.
도 8을 참조하면, 팩 냉매 공급관(621)과 팩 냉매 배출관(622)은 서로 교차하면서 뻗을 수 있다. 이러한 팩 냉매관(620) 배치 구조를 가짐으로써, 전지 팩 내에 복수의 전지 모듈(100)과 냉각 구조의 일체형 구조를 구현하면서 공간 활용률을 높이면서 동시에 냉각 효율도 향상시킬 수 있다. 상기와 같은 팩 냉매관(620) 배치 구조를 가질 수 있도록, 팩 냉매 공급관(621)의 높이와 팩 냉매 배출관(622)의 높이는 서로 다를 수 있다. 팩 냉매 공급관(621)의 높이와 팩 냉매 배출관(622)의 높이가 서로 다른 부분은 일부일 수 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 연결 포트(610)는 냉각 포트(500)와 팩 냉매관(620)을 연결한다. 보다 상세하게는, 냉각 포트(500)는 냉매 주입 포트(510)와 냉매 배출 포트(520)를 포함하고, 팩 냉매관(620)은 냉매 주입 포트(510)에 연결된 팩 냉매 공급관(621)과 냉매 배출 포트(520)에 연결된 팩 냉매 배출관(622)을 포함하고, 연결 포트(610)는 냉매 주입 포트(510)와 팩 냉매 공급관(621) 사이 및 냉매 배출 포트(520)와 팩 냉매 배출관(622) 사이를 각각 연결할 수 있다. 연결 포트(610)는, 복수의 전지 모듈(100)에 냉매를 공급하는 각 냉매 주입 포트(510)들 및 복수의 전지 모듈(100)로부터 냉매를 배출하는 각 냉매 배출 포트(520)들 각각에 연결되어 있다.
팩 냉매관 하부 커버(700)는 팩 냉매관 어셈블리(600)를 수용하고, 팩 냉매관 어셈블리(600)로부터 누출된 냉매를 주변 전지 모듈들로 누출되지 않도록 커버하며, 동시에 후술할 하부 커버 개구부를 통해 누출된 냉매를 전지 팩의 하부 공간으로 안내할 수 있다.
모듈 트레이(800)는 복수의 전지 모듈(100)의 하측에 위치하여 복수의 전지 모듈(100)들이 지정된 위치에 배치되어 안착될 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 또한 모듈 트레이(800)를 통해 복수의 전지 모듈(100)이 서로 이격되게 배치되고, 이격된 공간에 팩 냉매관 어셈블리(600)가 위치할 수 있도록 부품 배치 공간을 제공할 수 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 모듈 트레이(800)의 하측에는 하부 하우징(900)이 위치한다. 하부 하우징(900)과 모듈 트레이(800) 사이에는 공간(S)이 형성된다. 본 실시예에 따르면, 팩 냉매관 하부 커버(700)에는 하부 커버 개구부(710)가 형성되고, 하부 커버 개구부(710)는 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이에 형성된 공간(S)과 연결되어 있다. 따라서 팩 냉매관 어셈블리(600)로부터 누출된 냉매는 하부 커버 개구부(710)를 통해 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이에 형성된 공간(S)으로 안내될 수 있다.
유체를 이용한 냉각 구조에서, 불량품 또는 제품 운송 중 사고 등의 원인으로 냉매가 누출되는 상황이 발생할 수 있고, 누출된 냉매는 전장품 내부로 침투하여 단락(short-circuit)을 일으킴으로써 전지 팩에 화재가 발생할 위험이 있다. 따라서 냉매의 누출시 누출된 냉매가 전장품으로 침투하는 것을 미연에 방지할 필요성이 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 구조를 형성하는 다양한 부재들 및 그러한 부재들의 연결부에서 냉매의 누출이 발생할 경우 이를 일정한 경로로 유도하여 전지 팩 하부의 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이 공간(S)에 저장할 수 있도록 함으로써, 누출된 냉매가 전장품 내부로 침투되어 단락을 통한 화재 발생 가능성을 미연에 방지할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 유도 구조에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 11은 도 7의 절단선 A-A’를 따라 자른 부분의 구성을 나타낸 모식도이다. 도 12는 도 7의 절단선 B-B’를 따라 자른 부분의 구성을 나타낸 모식도이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩 냉매 누출 방지 구조의 분해 사시도이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 냉각 포트(500)는 하부 커버 개구부(710) 상에 위치할 수 있다. 보다 상세하게는, 냉각 포트(500)는 모듈 프레임 돌출부(211) 상에서, 하부 커버 개구부(710) 내부를 하측에서 상측으로 통과하도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 냉각 포트(500) 및 이와 연결된 연결 포트(610), 팩 냉매관(620)들로부터 누출된 냉매가 하부 커버 개구부(710)를 통해 하측 공간(S)으로 유도될 수 있다.
도 9 및 도 11을 참조하면, 서로 마주보는 전지 모듈(100)들 중 하나의 전지 모듈에 형성된 냉각 포트(500)와 다른 하나의 전지 모듈에 형성된 냉각 포트(500’)는 서로 마주보도록 배치되고, 하부 커버 개구부(710)는 복수개로 형성되며, 서로 마주보도록 배치된 두 냉각 포트(500, 500’)는 복수의 하부 커버 개구부(710) 중 하나의 하부 커버 개구부(710) 상에 함께 위치할 수 있다. 이를 통해, 서로 마주보며 인접하게 위치하는 두 냉각 포트(500, 500’)로부터 누출된 냉매를 한꺼번에 하측 공간(S)으로 유도할 수 있다.
모듈 트레이(800)는 모듈 트레이 개구부(810)를 포함하고, 냉각 포트(500)는 모듈 트레이 개구부(810) 상에 위치할 수 있다. 이때 하부 커버 개구부(710)는 모듈 트레이 개구부(810)를 통해 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이에 형성된 공간(S)과 연결될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이에 형성된 모듈 트레이 가스켓(820)을 더 포함할 수 있다. 모듈 트레이(800)는 복수의 전지 모듈(100) 각각의 외곽 부분을 따라 일체로 형성되고, 모듈 트레이 가스켓(820)은 모듈 트레이(800)의 외곽 부분을 따라 형성될 수 있다. 모듈 트레이 가스켓(820)은 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이를 밀봉할 수 있다. 이를 통해 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이 공간(S)으로 흘러들어온 냉매가 외부로 유출되지 않도록 할 수 있다.
팩 냉매관 하부 커버(700)와 모듈 트레이(800) 사이에 형성된 하부 커버 가스켓(720)을 더 포함할 수 있다. 하부 커버 가스켓(720)은 하부 커버 개구부(710) 및 모듈 트레이 개구부(810)의 바깥쪽에 형성될 수 있다. 하부 커버 가스켓(720)은 팩 냉매관 하부 커버(700)와 모듈 트레이(800) 사이를 밀봉할 수 있다. 하부 커버 개구부(710)를 통해 유입된 냉매가 모듈 트레이(800)와 팩 냉매관 하부 커버(700)의 사이로 누출되지 않도록 하부 커버 가스켓(720)이 모듈 트레이(800)와 팩 냉매관 하부 커버(700) 사이를 밀봉하여, 하부 커버 개구부(710)를 통과한 냉매가 모듈 트레이 개구부(810)를 지나 모듈 트레이(800)와 하부 하우징(900) 사이 공간(S)으로 누출 없이 유입될 수 있다.
본 실시예예 따르면, 도 13에 도시된 바와 같이 팩 냉매관 어셈블리(600)의 상부를 커버하는 팩 냉매관 상부 커버(740)을 더 포함할 수 있다. 팩 냉매관 상부 커버(740)는 팩 냉매관 하부 커버(700)와 함께 외부의 충격으로부터 팩 냉매관 어셈블리(600)를 물리적으로 보호할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 팩은, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 하나 이상 모아서 전지의 온도나 전압 등을 관리해 주는 전지 관리시스템(Battery Management System; BMS)과 냉각 장치 등을 추가하여 패킹한 구조일 수 있다.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
부호의 설명
200: 모듈 프레임
211: 모듈 프레임 돌출부
300: 히트 싱크
500: 냉각 포트
600: 팩 냉매관 어셈블리
610: 연결 포트
620: 팩 냉매관
621: 팩 냉매 공급관
622: 팩 냉매 배출관
700: 팩 냉매관 하부 커버
710: 하부 커버 개구부
720: 하부 커버 가스켓
740: 팩 냉매관 상부 커버
800: 모듈 트레이
810: 모듈 트레이 개구부
820: 모듈 트레이 가스켓
900: 하부 하우징

Claims (12)

  1. 복수의 전지 모듈;
    상기 복수의 전지 모듈 중 서로 마주보는 전지 모듈 사이에 배치된 팩 냉매관 어셈블리;
    상기 팩 냉매관 어셈블리의 하부를 커버하는 팩 냉매관 하부 커버;
    상기 팩 냉매관 하부 커버의 하측에 위치한 모듈 트레이; 및
    상기 모듈 트레이 하측에 위치한 하부 하우징을 포함하고,
    상기 팩 냉매관 하부 커버에는 하부 커버 개구부가 형성되고, 상기 하부 커버 개구부는 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 공간과 연결되어 있는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈은,
    복수의 전지셀이 적층되어 있는 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체를 수용하는 모듈 프레임;
    상기 모듈 프레임의 바닥부에 형성된 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크에 냉매를 공급 및 상기 히트 싱크로부터 냉매를 배출하는 냉각 포트를 각각 포함하고,
    상기 냉각 포트는 상기 하부 커버 개구부 상에 위치하는 전지 팩.
  3. 제2항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부 일부가 돌출되어 형성된 모듈 프레임 돌출부를 포함하고,
    상기 냉각 포트는 상기 모듈 프레임 돌출부 상에서, 상기 하부 커버 개구부 내부를 하측에서 상측으로 통과하도록 돌출 형성된 전지 팩.
  4. 제2항에서,
    상기 서로 마주보는 전지 모듈들 중 하나의 전지 모듈에 형성된 냉각 포트와 다른 하나의 전지 모듈에 형성된 냉각 포트는 서로 마주보도록 배치되고,
    상기 하부 커버 개구부는 복수개로 형성되며,
    서로 마주보도록 배치된 두 냉각 포트는 복수의 상기 하부 커버 개구부 중 하나의 상기 하부 커버 개구부 상에 함께 위치하는 전지 팩.
  5. 제2항에서,
    상기 모듈 트레이는 모듈 트레이 개구부를 포함하고,
    상기 냉각 포트는 상기 모듈 트레이 개구부 상에 위치하는 전지 팩.
  6. 제5항에서,
    상기 하부 커버 개구부는 상기 모듈 트레이 개구부를 통해 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 공간과 연결되는 전지 팩.
  7. 제1항에서,
    상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이에 형성된 모듈 트레이 가스켓을 더 포함하고,
    상기 모듈 트레이 가스켓은 상기 모듈 트레이와 상기 하부 하우징 사이를 밀봉하는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 모듈 트레이는 상기 복수의 전지 모듈 각각의 외곽부분을 따라 일체로 형성되고,
    상기 모듈 트레이 가스켓은 상기 모듈 트레이의 외곽 부분을 따라 형성되는 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 팩 냉매관 하부 커버와 상기 모듈 트레이 사이에 형성된 하부 커버 가스켓을 더 포함하고,
    상기 하부 커버 가스켓은 상기 팩 냉매관 하부 커버와 상기 모듈 트레이 사이를 밀봉하는 전지 팩.
  10. 제9항에서,
    상기 하부 커버 가스켓은 상기 하부 커버 개구부 및 모듈 트레이 개구부 바깥쪽에 형성되는 전지 팩.
  11. 제1항에서,
    상기 팩 냉매관 어셈블리의 상부를 커버하는 팩 냉매관 상부 커버를 더 포함하는 전지 팩.
  12. 제1항에 따른 전지 팩을 포함하는 디바이스.
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