WO2022030755A1 - 보강 빔을 이용한 냉각 플레이트의 체결을 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 - Google Patents

보강 빔을 이용한 냉각 플레이트의 체결을 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩 Download PDF

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battery
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battery module
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최기영
이수항
김재영
김용일
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module with improved coupling of a cooling plate and a battery pack including the same.
  • a secondary battery is applied as a power source of an electric vehicle in the form of a battery module in which a plurality of battery cells are modularized or a battery pack in which a plurality of battery modules are packaged.
  • One of the main research tasks in the secondary battery is to improve the safety of the battery module.
  • the temperature increases during charging and discharging, and the increased temperature causes the battery module to ignite.
  • the cooling plate has a structure in which a flow path through which a fluid moves is formed, and the temperature of the battery module is lowered through the movement of the cooled fluid through the flow path.
  • the cooling plate is fastened to the outer surface of the battery module through welding such as soldering.
  • 1 and 2 are views illustrating a cross-section of a battery module and a planar structure of a cooling plate, respectively, showing a conventional fastening structure of a cooling plate.
  • the conventional battery module 10 includes a U-shaped frame 11 and a top plate 12 covering the open upper surface of the U-shaped frame 11 , the U-shaped frame A plurality of battery cells 30 are accommodated in (11).
  • the battery cells 30 are arranged and accommodated in a vertical direction, and a buffer pad 31 is positioned between the battery cells 30 at a predetermined distance.
  • the cooling plate 20 is fastened to the lower outer peripheral surface of the U-shaped frame 11 by brazing.
  • the cooling plate 20 has a plate-shaped structure, and a flow path for fluid movement is formed.
  • the cooling plate 20 is fastened to the lower outer peripheral surface of the U-shaped frame 20 by brazing.
  • the welding part to which the cooling plate 20 is fastened is damaged due to swelling of the battery cell 30, external shock, or sudden temperature change occurring during the charging/discharging process. case occurs If some or all of the welding area is damaged, the cooling plate 20 cannot be in close contact with the outer surface of the module frame. If the adhesion of the cooling plate is impaired, the cooling effect on the battery module is rapidly reduced.
  • An object of the present invention is to provide a battery module and a battery pack including the same in which the connection of the cooling plate is improved by applying welding and a reinforcing beam together when the cooling plate is fastened.
  • the present invention provides a battery module to which a cooling plate is fastened.
  • the battery module according to the present invention one or two or more battery cells; a module case having a accommodating part accommodating the battery cells therein; and a cooling plate formed outside one surface of the module case, wherein the module case and the cooling plate are fastened by welding and reinforcing beams.
  • the reinforcing beam is formed through one surface of the module case and the cooling plate.
  • the cooling plate is a plate-shaped structure in which a curved structure forming a fluid movement path is formed.
  • the cooling plate includes a fluid movement path on the inside in contact with the module case, and the outer circumferential surface opposite to the surface in contact with the module case includes a spaced apart area from the module case and a close contact area with the module case.
  • a bent structure is formed including, and the welding and fastening by the reinforcing beam is a structure formed in the close contact area of the cooling plate.
  • the structure fastened by the reinforcing beam includes a structure to which the reinforcing beam is fastened along an edge region of the cooling plate.
  • the reinforcing beam is a beam structure having an H-shaped cross-sectional structure.
  • the welding is a structure for joining between the module case and the cooling plate by brazing.
  • the reinforcing beam is a structure fastened through one surface of the module case and the cooling plate, and welding is a form of filling an empty space between the reinforcing beam and each through hole of the module case and the cooling plate.
  • the battery cells are oriented in a direction perpendicular to the cooling plate and have a structure accommodated in the housing of the module case.
  • the module case may include: a U-shaped frame having a structure surrounding the lower surface and both sides of the receiving unit; and a top plate covering the upper surface of the U-shaped frame.
  • the module case includes a U-shaped frame having a structure surrounding the lower surface and both sides of the housing, and the cooling plate is fastened to the outside of the lower surface of the U-shaped frame.
  • the module case may include: a bottom plate forming a lower surface of the accommodating part; and a U-shaped frame having a structure surrounding the upper surface and both sides of the receiving unit, wherein the cooling plate is fastened to the outside of the lower surface of the bottom plate.
  • the module case further includes an end plate covering the open side of the U-shaped frame.
  • the present invention also provides a battery pack including the battery module described above.
  • the battery pack according to the present invention may include one or two or more battery modules described above; and a pack case for packaging the battery module.
  • the battery module according to the present invention improves the fastening of the cooling plate to effectively prevent swelling of the battery cell or the separation of the cooling plate from external impact.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a battery module showing a conventional fastening structure of a cooling plate.
  • FIG. 2 is a view showing a planar structure of a conventional cooling plate.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a battery module showing a fastening structure of a cooling plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a planar structure of a cooling plate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a battery module according to another embodiment of the present invention.
  • “under” another part it includes not only cases where it is “directly under” another part, but also cases where another part is in between.
  • “on” may include the case of being disposed not only on the upper part but also on the lower part.
  • the present invention relates to a battery module, wherein the battery module includes a cooling plate fastened to one surface, and the cooling plate is fastened in a composite manner using welding and reinforcing beams.
  • the battery module according to the present invention one or two or more battery cells; a module case having a accommodating part accommodating the battery cells therein; and a cooling plate formed outside one surface of the module case, wherein the module case and the cooling plate are fastened by welding and reinforcing beams.
  • the present invention it is characterized in that welding and reinforcing beams are simultaneously applied when fastening between the module case and the cooling plate.
  • the cooling plate was joined to the module case using welding, specifically soldering, but there was a problem in that the welded part was damaged or separated.
  • the reinforcing beam is applied alone, there is a limitation in that it is difficult to implement adhesion between the module case and the cooling plate.
  • the module case and the cooling plate are strongly fastened using a reinforcing beam, and excellent adhesion is realized through welding.
  • the reinforcing beam is formed to pass through one surface of the module case and the cooling plate.
  • the present invention forms a hole in one surface of the module case and the cooling plate, and positions the reinforcing beam to penetrate the formed hole.
  • the empty space between the perforation of the module case and the cooling plate and the reinforcing beam is filled through welding.
  • the cooling plate is a plate-shaped structure in which a curved structure forming a fluid movement path is formed.
  • the cooling plate has a plate-shaped structure as a whole, and a curved structure forming a flow path is formed in the plate-shaped structure.
  • the shape of the cooling plate is not limited to a plate shape, and for example, a structure in which the cooling plate is bent to surround 2 to 4 sides of the battery module is also possible.
  • the cooling plate includes a fluid movement path on the inside in contact with the module case, and the outer peripheral surface opposite to the surface in contact with the module case is a spaced apart region from the module case and a close contact region in close contact with the module case
  • a bent structure including The cooling plate has a curved structure by forming a flow path, and a partial region in which the flow path is not formed includes a close contact area in which the curved structure is not formed so that the cooling plate is in close contact with the module case. It is possible to fasten the module case and the cooling plate through welding and reinforcing beams in this tight area. Furthermore, by fastening the reinforcing beams in the tight area, it is possible to ensure that the fastened reinforcing beams do not protrude above the surface level of the cooling plate.
  • the structure fastened by the reinforcing beam includes a structure to which the reinforcing beam is fastened along an edge region of the cooling plate.
  • the position at which the reinforcing beam is fastened is not particularly limited, but it is advantageous to include an edge region of the cooling plate.
  • a reinforcing beam may be formed along four sides.
  • the reinforcing beam has an H-shaped cross-sectional structure.
  • the reinforcing beam is coupled to the module case and the cooling plate in a state of being penetrated.
  • the central part has a narrow shape, and the upper and lower ends have a wide shape. Through this, the module case and the cooling plate can be effectively fastened using the H-shaped reinforcing beam.
  • the welding is a structure for joining the module case and the cooling plate by brazing (brazing).
  • welding is a general term for metallurgical joining methods, and includes all cases of joining two different materials by heating or melting a total metal material.
  • the welding includes brazing, welding and/or soldering.
  • the welding may be performed by a brazing method. Brazing heats the joint and does not melt the base material, but melts the filler metal to join the base material.
  • the filler metal is heated to a temperature of 450 ° C. or higher, and only the filler metal is melted without melting the base metal to fill the narrow gap between the two base metals using the spreadability, wettability and capillary phenomenon of the molten metal. is then joined.
  • the reinforcing beam is a structure fastened through one surface of the module case and the cooling plate, and welding is a form of filling an empty space between each through hole of the module case and the cooling plate and the reinforcing beam.
  • the fastening between the battery module and the cooling plate is performed through a reinforcing beam, and the structure is reinforced through welding.
  • the welding may be performed by brazing or the like.
  • the battery cell is oriented in a direction perpendicular to the cooling plate and has a structure accommodated in the housing of the module case.
  • the receiving direction of the battery cells is parallel to the cooling plate, only the battery cells adjacent to the cooling plate are intensively cooled, which may cause a temperature imbalance between the battery cells in the battery module.
  • rapid cooling is possible through the interface between the battery cells while minimizing the temperature deviation of the battery cells in the battery module.
  • the module case the U-shaped frame of the structure surrounding the lower surface and both sides of the receiving unit; and a top plate covering the upper surface of the U-shaped frame.
  • the module case includes a U-shaped frame having a structure surrounding the lower surface and both sides of the housing, and the cooling plate is fastened to the outside of the lower surface of the U-shaped frame.
  • the module case according to the present invention is also possible to apply a frame having a structure surrounded by four sides.
  • a structure including the U-shaped frame and the top plate is advantageous.
  • the module case may include: a bottom plate forming a lower surface of the accommodating part; and a U-shaped frame having a structure surrounding the upper surface and both sides of the receiving unit, wherein the cooling plate is fastened to the outside of the lower surface of the bottom plate.
  • the module case according to the present invention has a structure in which battery cells are positioned on a bottom plate, and a U-shaped frame is covered thereon. A cooling plate is fastened to the lower outer surface of the bottom plate, the battery cells are accommodated on the inner surface, and the U-shaped frame is then assembled.
  • the module case further includes an end plate covering the open side of the U-shaped frame.
  • the end plate on which the PCM or the like is mounted may be fastened to the open side of the U-shaped frame.
  • the end plate may be formed on one side or both sides.
  • the present invention also provides a battery pack including the battery module described above.
  • the battery pack according to the present invention may include one or two or more battery modules described above; and a pack case for packaging the battery module.
  • the battery pack can be variously applied to the power of a vehicle. For example, it can be applied as a power source for a mind hybrid vehicle, a plug-in hybrid vehicle, or an electric vehicle.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a battery module showing a fastening structure of a cooling plate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view showing a planar structure of the cooling plate according to an embodiment of the present invention.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 130 ; a module case in which an accommodating part for accommodating the battery cells 130 is formed; and a cooling plate 120 formed outside one surface of the module case.
  • the module case includes a U-shaped frame 111 and a top plate 112 covering an open upper surface of the U-shaped frame 111 .
  • a plurality of battery cells 30 are accommodated in the receiving portion of the U-shaped frame 111 , and a buffer pad 131 is positioned at a predetermined distance between the battery cells 130 .
  • a top plate 112 is fastened to the open upper surface of the U-shaped frame 111 .
  • the cooling plate 120 is fastened to the lower outer peripheral surface of the U-shaped frame 111 .
  • H-shaped reinforcement beams 121 (a), 121 (b) are fastened, and the fastening portion is filled by brazing. .
  • the shape of the cooling plate 120 applied in the present invention and the formation positions of the reinforcing beams 121 (a) to 121 (e) can be confirmed in detail.
  • the cooling plate 120 has a plate-shaped structure, and a flow path 122 for fluid movement is formed.
  • the flow path 122 has a shape surrounded by the concave-convex edge structure and the linear concavo-convex structure 123 of the cooling plate 120 , and the point-shaped unevenness 124 is formed in the area where the flow path 122 is formed to supplement mechanical strength. do.
  • the cooling plate 120 has a quadrangular plate-shaped structure, and reinforcing beams 121 (a) to 121 (d) are formed along four sides, respectively, and an additional reinforcing beam 121 (e) is formed in the center as well. do.
  • Each of the reinforcing beams 121 (a) to 121 (e) has an H-beam structure, and the narrow central portion passes through the bottom surface of the U-shaped frame 111 and the cooling plate 120, and the wide The ends project forward and backward of the pierced area.
  • the portion to which the reinforcing beams 121 (a) to 121 (e) are fastened is filled so that there is no empty space by brazing.
  • between the U-shaped frame 111 and the cooling plate 120 is fastened using reinforcing beams 121 (a) to 121 (e), and the fastened portion is filled through brazing to increase mechanical strength. It is possible to reinforce and maintain the adhesion of the cooling plate 120 despite internal and external impacts or temperature changes.
  • the battery module 200 has a structure in which a plurality of battery cells 230 are accommodated in a battery case and a cooling plate 212 is fastened to a lower surface thereof.
  • the module case may include a bottom plate 212 forming a lower surface of the receiving unit; and a U-shaped frame 211 having a structure surrounding the upper surface and both sides of the receiving unit, and the cooling plate 220 is fastened to the outside of the lower surface of the bottom plate 212 .
  • the cooling plate 220 has a plate-shaped structure, in which a flow path 222 for fluid movement is formed.
  • the flow path 222 has a shape surrounded by the concave-convex edge structure and the linear concave-convex structure 223 of the cooling plate 220, and the point-shaped unevenness 224 is formed in the area where the flow path 222 is formed to supplement the mechanical strength. do.
  • the cooling plate 220 has a quadrangular plate-shaped structure, and reinforcing beams 221 (a) to 221 (d) are formed along four sides, respectively.
  • Each of the reinforcing beams 221(a) to 221(d) has an H-beam structure, a narrow central portion passes through the bottom plate 212 and the cooling plate 220, and both ends of the wide width pass through the It protrudes forward and backward of the affected area.
  • the portion to which the reinforcing beams 221 (a) to 221 (d) are fastened is filled so that there is no empty space by brazing.
  • mechanical strength can be reinforced and the adhesion of the cooling plate 220 can be maintained despite internal and external impacts or temperature changes.

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Abstract

본 발명에 따른 전지 모듈 내지 이를 포함하는 전지 팩은, 냉각 플레이트 체결시 용접과 보강 빔을 함께 적용하여 냉각 플레이트의 체결을 개선한 것으로, 전지 셀의 스웰링 혹은 외부 충격으로부터 냉각 플레이트의 이탈을 효과적으로 방지한다.

Description

보강 빔을 이용한 냉각 플레이트의 체결을 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
본 출원은 2020. 08. 07.자 한국 특허 출원 제10-2020-0099340호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 냉각 플레이트의 체결을 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기, 전기차, 하이브리드 자동차, 전력저장 장치, 무정전 전원 장치 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
대표적으로 전지의 형상 면에서는 각형이나 파우치형 이차 전지에 대한 수요가 높고, 재료 면에서는 에너지 밀도와 단위 시간 당 방전 용량이 높은 리튬 계열의 이차 전지에 대한 수요가 높다. 이차 전지는 다수의 전지 셀들을 모듈화한 전지 모듈 혹은 복수의 전지 모듈을 패키징한 전지 팩의 형태로 전기 자동차 등의 동력원으로 적용된다.
이러한 이차 전지에서 주요 연구 과제 중의 하나는 전지 모듈의 안전성을 향상시키는데 있다. 이차 전지는 충방전 과정에서 온도가 증가하게 되고, 증가된 온도는 전지 모듈의 발화를 유발하는 원인이 된다.
전지 모듈의 온도 상승을 억제하기 위한 방법 중 하나는 전지 모듈의 측면에 냉각 플레이트를 체결하는 것이다. 상기 냉각 플레이트는 유체가 이동하는 유로가 형성된 구조이고, 상기 유로를 통한 냉각된 유체의 이동을 통해 전지 모듈의 온도를 낮추게 된다.
일반적으로 냉각 플레이트는 납땜 등의 용접을 통해 전지 모듈의 외면에 체결된다. 도 1 및 2는 각각 종래의 냉각 플레이트의 체결 구조를 나타낸 전지 모듈의 단면 및 냉각 플레이트의 평면 구조를 도시한 도면들이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 종래의 전지 모듈(10)은 U형 프레임(11)과 상기 U형 프레임(11)의 개방된 상부면을 덮는 탑 플레이트(12)를 포함하며, 상기 U형 프레임(11) 내에 다수의 전지 셀(30)을 수납하게 된다. 도 1에서 전지 셀(30)은 수직 방향으로 배열되어 수납되고, 일정 거리를 두고 완충 패드(31)가 전지 셀(30)들 사이에 위치한다. 또한, U형 프레임(11)의 하부 외주면에는 냉각 플레이트(20)가 브레이징에 의해 체결된 구조이다.
도 2를 참조하면, 냉각 플레이트(20)는 판상형 구조이되, 유체 이동을 위한 유로가 형성된 구조이다. 상기 냉각 플레이트(20)는 브레이징에 의해 U형 프레임(20)의 하부 외주면에 체결된다.
그러나, 이러한 종래의 전지 모듈(10)은 충방전 과정에서 발생하는 전지 셀(30)의 스웰링 현상이나 외부의 충격 혹은 급격한 온도 변화 등으로 인해 냉각 플레이트(20)를 체결하는 용접 부위가 파손되는 경우가 발생한다. 용접 부위 중 일부 혹은 전부가 파손되면, 냉각 플레이트(20)가 모듈 프레임의 외면에 밀착되지 못하게 된다. 냉각 플레이트의 밀착성이 훼손되면 전지 모듈에 대한 냉각 효과는 급격히 감소한다.
따라서, 냉각 플레이트의 체결 안정성을 유지하고 밀착성을 높일 수 있는 새로운 구조의 전지 모듈에 대한 기술이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국 특허공개공보 제2018-0047383호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉각 플레이트 체결시 용접과 보강 빔을 함께 적용하여 냉각 플레이트의 체결을 개선한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 냉각 플레이트가 체결된 전지 모듈을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은, 하나 또는 둘 이상의 전지 셀; 내부에 상기 전지 셀을 수납하는 수납부가 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 일면 외측에 형성된 냉각 플레이트를 포함하며, 상기 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이는, 용접 및 보강 빔에 의해 체결된 구조이다. 예를 들어, 상기 보강 빔은 모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트를 관통하여 형성된다.
하나의 예에서, 상기 냉각 플레이트는, 유체 이동 경로를 형성하는 굴곡 구조가 형성된 판상형 구조이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 플레이트는, 모듈 케이스와 접하는 내측에 유체 이동 경로를 포함하고, 모듈 케이스와 접하는 면의 반대측 외주면은, 모듈 케이스와 이격된 이격 영역과 모듈 케이스와 밀착하는 밀착 영역을 포함하는 굴곡 구조가 형성되고, 상기 용접 및 보강 빔에 의한 체결은 냉각 플레이트의 밀착 영역에 형성된 구조이다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 보강 빔에 의해 체결된 구조는, 냉각 플레이트의 가장자리 영역을 따라 보강 빔이 체결된 구조를 포함한다.
예를 들어, 상기 보강 빔은, 단면 구조가 H 형태인 빔 구조이다.
하나의 예에서, 상기 용접은 브레이징(brazing)에 의해 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이를 접합하는 구조이다.
또 다른 하나의 예에서, 보강 빔은 모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트를 관통하여 체결된 구조이고, 용접은 모듈 케이스와 냉각 플레이트의 각 관통홀과 보강 빔 사이의 빈 공간을 충진하는 형태이다.
하나의 예에서, 전지 셀은, 상기 냉각 플레이트와 수직되는 방향으로 배향되어 모듈 케이스의 수납부에 수납된 구조이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 모듈 케이스는, 수납부의 하부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임; 및 상기 U형 프레임의 상부면을 덮는 탑 플레이트를 포함한다.
예를 들어, 상기 모듈 케이스는 수납부의 하부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임을 포함하고, 냉각 플레이트는 U형 프레임의 하부면 외측에 체결된 구조이다.
또 다른 하나의 구체적인 예에서, 상기 모듈 케이스는, 수납부의 하부면을 형성하는 바텀 플레이트; 및 수납부의 상부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임을 포함하고, 냉각 플레이트는 바텀 플레이트의 하부면 외측에 체결된 구조이다.
하나의 예에서, 상기 모듈 케이스는, U형 프레임의 개방된 측면을 덮는 엔드 플레이트를 더 포함한다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 팩은 앞서 설명한 하나 또는 둘 이상의 전지 모듈; 및 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함한다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 냉각 플레이트의 체결을 개선하여 전지 셀의 스웰링 혹은 외부 충격으로부터 냉각 플레이트의 이탈을 효과적으로 방지한다.
도 1은 종래의 냉각 플레이트의 체결 구조를 나타낸 전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 종래의 냉각 플레이트의 평면 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 플레이트의 체결 구조를 나타낸 전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 플레이트의 평면 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 전지 모듈에 관한 것으로, 상기 전지 모듈은 일면에 체결된 냉각 플레이트를 포함하며, 상기 냉각 플레이트의 체결은 용접 및 보강 빔을 이용한 복합 방식으로 이루어진다. 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 전지 모듈은, 하나 또는 둘 이상의 전지 셀; 내부에 상기 전지 셀을 수납하는 수납부가 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 일면 외측에 형성된 냉각 플레이트를 포함하며, 상기 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이는, 용접 및 보강 빔에 의해 체결된 구조이다.
모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트를 관통하는 보강 빔에 의해 체결된 구조이다.
본 발명에서는 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이의 체결시 용접과 보강 빔을 동시에 적용하는 것을 특징으로 한다. 기존에는 용접, 구체적으로는 납땜을 이용하여 냉각 플레이트를 모듈 케이스에 접합하였으나, 용접 부위가 손상 내지 이탈되는 문제가 있었다. 또한, 보강 빔만을 단독으로 적용하는 경우에는 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이의 밀착성을 구현하기 어렵다는 한계가 있다. 본 발명은 보강 빔을 이용하여 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이를 강하게 체결하고, 용접을 통해 우수한 밀착성을 구현한다.
하나의 실시예에서, 상기 보강 빔은 모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트를 관통하도록 형성된다. 구체적인 예로서, 본 발명은 모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트에 타공을 형성하고, 형성된 타공을 관통하도록 보강 빔을 위치한다. 더불어, 모듈 케이스와 냉각 플레이트의 타공과 보강 빔 사이의 빈 공간을 용접을 통해 충진하게 된다. 이를 통해, 본 발명은 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이에 2단계에 걸친 체결 구조를 형성하고, 내외부 조건 변화에 영향 없이 우수한 기밀성을 구현할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 냉각 플레이트는, 유체 이동 경로를 형성하는 굴곡 구조가 형성된 판상형 구조이다. 상기 냉각 플레이트는 전체적으로 판상형 구조이고, 상기 판상형 구조 내에 유로를 형성하는 굴곡 구조가 형성된다. 다만, 본 발명에서는 냉각 플레이트의 형상을 판상형으로 한정하는 것은 아니며, 예를 들어, 냉각 플레이트는 절곡되어 전지 모듈의 2면 내지 4면을 감싸는 구조도 가능하다. 다만, 냉각 플레이트 형성에 따른 중량 내지 부피의 증가를 최소화하고, 일정 수준 이상의 냉각 효과를 구현하기 위해서, 전지 모듈이 1면에 판상형 구조의 냉각 플레이트를 형성하는 것이 효율적이다.
하나의 구체적인 실시예에서, 상기 냉각 플레이트는, 모듈 케이스와 접하는 내측에 유체 이동 경로를 포함하고, 모듈 케이스와 접하는 면의 반대측 외주면은, 모듈 케이스와 이격된 이격 영역과 모듈 케이스와 밀착하는 밀착 영역을 포함하는 굴곡 구조가 형성되고, 상기 용접 및 보강 빔에 의한 체결은 냉각 플레이트의 밀착 영역에 형성된 구조이다. 상기 냉각 플레이트는 유로 형성에 의한 굴곡 구조를 포함하되, 유로가 형성되지 않은 일부 영역은 모듈 케이스와 밀착되도록 굴곡 구조가 형성되지 않은 밀착 영역을 포함하는 형상이다. 이러한 밀착 영역에 용접 및 보강 빔을 통해 모듈 케이스와 냉각 플레이트를 체결하는 것이 가능하다. 또한, 상기 밀착 영역에 보강 빔을 체결하게 되면, 체결된 보강 빔이 냉각 플레이트의 표면 레벨보다 튀어나오지 않도록 하는 것이 가능하다.
또 다른 하나의 구체적인 실시예에서, 보강 빔에 의해 체결된 구조는, 냉각 플레이트의 가장자리 영역을 따라 보강 빔이 체결된 구조를 포함한다. 보강 빔이 체결되는 위치가 특별히 제한되는 것은 아니나, 냉각 플레이트의 가장자리 영역을 포함하는 것이 유리하다. 예를 들어, 냉각 플레이트가 사각의 판상 구조인 경우, 4변을 따라 보강 빔을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 보강 빔은, 단면 구조가 H 형태의 빔 구조이다. 상기 보강 빔은 모듈 케이스와 냉각 플레이트를 관통한 상태로 양자를 체결하게 된다. 중심부는 폭이 좁은 형상이고 상하 단부는 폭이 넓은 형상이다. 이를 통해, H 형태의 보강 빔을 이용하여 모듈 케이스와 냉각 플레이트를 효과적으로 체결할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 용접은 브레이징(brazing)에 의해 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이를 접합하는 구조이다. 본 발명에서 용접이란, 금속의 야금적 접합법을 총칭하는 의미이며, 총금속 재료를 가열 내지 용융시켜 서로 다른 두 재료 사이를 접합하는 경우를 모두 포함한다. 본 발명에서, 상기 용접은 브레이징(brazing), 웰딩(welding) 및/또는 솔더링(soldering)을 포함한다. 구체적으로, 상기 용접은 브레이징(brazing) 방식으로 수행 가능하다. 브레이징은 접합부를 가열하여 모재는 녹이지 않고 용가재만 녹여 모재를 접합하게 된다. 예를 들어, 브레이징은 450℃ 이상의 온도로 용가재를 가열하며, 모재는 용융시키지 않고 용가재만 용융시켜 두 모재 간의 좁은 간극을 용융 금속의 퍼짐성(spreadability), 젖음성(wettability) 및 모세관 현상을 이용하여 채운후 접합하게 된다.
또 다른 하나의 실시예에서, 보강 빔은 모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트를 관통하여 체결된 구조이고, 용접은 모듈 케이스와 냉각 플레이트의 각 관통홀과 보강 빔 사이의 빈 공간을 충진하는 형태이다. 본 발명에서는 전지 모듈과 냉각 플레이트 사이의 체결은 보강 빔을 통해 수행하고, 용접을 통해 이러한 체결을 보강하는 구조이다. 예를 들어, 상기 용접은 브레이징 등의 방식으로 수행 가능하다.
하나의 실시예에서, 전지 셀은, 상기 냉각 플레이트와 수직되는 방향으로 배향되어 모듈 케이스의 수납부에 수납된 구조이다. 전지 셀의 수납 방향을 냉각 플레이트와 평행하게 하면, 냉각 플레이트와 인접하는 전지 셀만 집중적으로 냉각되고 이로 인해 전지 모듈 내 전지 셀들 간의 온도 불균형이 유발될 수 있다. 본 발명에서는 냉각 플레이트와 수직되는 방향으로 전지 셀을 수납함으로써, 전지 모듈 내 전지 셀들의 온도 편차를 최소화하면서도 전지 셀들 사이의 계면을 통해 빠른 냉각이 가능하다.
하나의 구체적인 실시예에서, 상기 모듈 케이스는, 수납부의 하부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임; 및 상기 U형 프레임의 상부면을 덮는 탑 플레이트를 포함한다. 예를 들어, 상기 모듈 케이스는 수납부의 하부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임을 포함하고, 냉각 플레이트는 U형 프레임의 하부면 외측에 체결된 구조이다. 본 발명에 따른 모듈 케이스는 사면이 둘러싸인 구조의 프레임을 적용하는 경우도 가능하다. 그러나, 전지 셀 수납의 편의성과 냉각 플레이트의 접합 용이성을 고려하면, U형 프레임과 탑 플레이트를 포함하는 구조가 유리하다.
또 다른 하나의 구체적인 실시예에서, 상기 모듈 케이스는, 수납부의 하부면을 형성하는 바텀 플레이트; 및 수납부의 상부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임을 포함하고, 냉각 플레이트는 바텀 플레이트의 하부면 외측에 체결된 구조이다. 본 발명에 따른 모듈 케이스이 또 다른 예시로서, 바텀 플레이트 상에 전지 셀들을 위치하고, 그 위를 U형 프레임이 덮는 구조이다. 상기 바텀 플레이트의 하부 외측면에는 냉각 플레이트를 체결하고, 내측면 상에 전지 셀들을 수납한 후 U형 프레임을 덮는 형태로 조립 가능하다.
하나의 실시예에서, 상기 모듈 케이스는, U형 프레임의 개방된 측면을 덮는 엔드 플레이트를 더 포함한다. 예를 들어, PCM 등이 실장된 엔드 플레이트를 U형 프레임의 개방된 측면에 체결할 수 있다. 상기 엔드 플레이트는 일면 또는 양면에 형성할 수 있다.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 전지 모듈을 포함하는 전지 팩을 제공한다. 하나의 예에서, 본 발명에 따른 전지 팩은 앞서 설명한 하나 또는 둘 이상의 전지 모듈; 및 배터리 모듈을 패키징하는 팩 케이스를 포함한다. 상기 전지 팩은 자동차의 동력으로 다양하게 적용 가능하다. 예를 들어, 마인드하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 등의 동력원으로 적용 가능하다.
이하, 도면을 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
(제1 실시 형태)
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 플레이트의 체결 구조를 나타낸 전지 모듈의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 냉각 플레이트의 평면 구조를 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(100)은 다수의 전지 셀(130); 내부에 상기 전지 셀(130)을 수납하는 수납부가 형성된 모듈 케이스; 및 상기 모듈 케이스의 일면 외측에 형성된 냉각 플레이트(120)를 포함한다. 상기 모듈 케이스는 U형 프레임(111)과 상기 U형 프레임(111)의 개방된 상부면을 덮는 탑 플레이트(112)를 포함한다. 상기 U형 프레임(111) 내의 수납부에는 다수의 전지 셀(30)을 수납되고, 전지 셀(130)들 사이에는 일정 거리를 두고 완충 패드(131)가 위치한다. U형 프레임(111)의 개방된 상부면에는 탑 플레이트(112)가 체결된다.
또한, 상기 U형 프레임(111)의 하부 외주면에는 냉각 플레이트(120)가 체결된다. 상기 U형 프레임(111)의 하부 외주면과 냉각 플레이트(120) 사이는, H형 보강 빔(121(a), 121(b))에 의해 체결되고, 상기 체결 부위는 브레이징에 의해 충진된 구조이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서 적용된 냉각 플레이트(120)의 형상과 보강 빔(121(a)~121(e))의 형성 위치를 구체적으로 확인 가능하다. 도 4를 참조하면, 냉각 플레이트(120)는 판상형 구조이되, 유체 이동을 위한 유로(122)가 형성된 구조이다. 상기 유로(122)는 냉각 플레이트(120)의 테두리 요철 구조와 선형 요철 구조(123)에 의해 둘러싸인 형상이고, 상기 유로(122)가 형성된 영역에는 점형 요철(124)가 형성되어 기계적 강도를 보완하게 된다.
상기 냉각 플레이트(120)는 4각의 판상형 구조이며, 4개의 변을 따라 각각 보강 빔(121(a)~121(d))이 형성되고, 중심부에도 추가 보강 빔(121(e))이 형성된다. 각 보강 빔(121(a)~121(e))은 H형 빔 구조이고, 폭이 좁은 중심 부위는 U형 프레임(111)의 바닥면과 냉각 플레이트(120)를 관통하고, 폭이 넓은 양 단부는 상기 관통된 영역의 앞뒤로 돌출된다.
또한, 상기 보강 빔(121(a)~121(e))이 체결된 부위는 브레이징에 의해 빈 공간이 없도록 충진된다. 본 발명에서는 U형 프레임(111)과 냉각 플레이트(120) 사이를 보강 빔(121(a)~121(e))을 이용하여 체결하고, 상기 체결된 부위는 브레이징을 통해 충진함으로써, 기계적 강도를 보강하고 내외부 충격이나 온도 변화에도 냉각 플레이트(120)의 밀착성을 유지할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 5는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전지 모듈(200)은 전지 케이스 내에 다수의 전지 셀(230)들이 수납되고 하부면에 냉각 플레이트(212)가 체결된 구조이다. 상기 모듈 케이스는, 수납부의 하부면을 형성하는 바텀 플레이트(212); 및 수납부의 상부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임(211)을 포함하고, 냉각 플레이트(220)는 바텀 플레이트(212)의 하부면 외측에 체결된 구조이다.
상기 냉각 플레이트(220)는 판상형 구조이되, 유체 이동을 위한 유로(222)가 형성된 구조이다. 상기 유로(222)는 냉각 플레이트(220)의 테두리 요철 구조와 선형 요철 구조(223)에 의해 둘러싸인 형상이고, 상기 유로(222)가 형성된 영역에는 점형 요철(224)가 형성되어 기계적 강도를 보완하게 된다.
상기 냉각 플레이트(220)는 4각의 판상형 구조이며, 4개의 변을 따라 각각 보강 빔(221(a)~221(d))이 형성된다. 각 보강 빔(221(a)~221(d))은 H형 빔 구조이고, 폭이 좁은 중심 부위는 바텀 플레이트(212)와 냉각 플레이트(220)를 관통하고, 폭이 넓은 양 단부는 상기 관통된 영역의 앞뒤로 돌출된다.
또한, 상기 보강 빔(221(a)~221(d))이 체결된 부위는 브레이징에 의해 빈 공간이 없도록 충진된다. 상기 체결된 부위는 브레이징을 통해 충진함으로써, 기계적 강도를 보강하고 내외부 충격이나 온도 변화에도 냉각 플레이트(220)의 밀착성을 유지할 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[부호의 설명]
10, 100, 200: 전지 모듈
11, 111, 211: U형 프레임
12, 112: 탑 플레이트
20, 120. 220: 냉각 플레이트
21: 용접 부위
22, 222: 유로
123, 223: 선형 요철 구조
124, 224: 점형 요철 구조
30, 130, 230: 전지 셀
31, 131: 완충 패드
121(a), 121(b), 121(c), 121(d), 121(e), 212(a), 212(b), 212(c), 212(d): 보강 빔
122: 유로
212: 바텀 플레이트

Claims (13)

  1. 하나 또는 둘 이상의 전지 셀;
    내부에 상기 전지 셀을 수납하는 수납부가 형성된 모듈 케이스; 및
    상기 모듈 케이스의 일면 외측에 형성된 냉각 플레이트를 포함하며,
    상기 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이는, 용접 및 보강 빔에 의해 체결된 구조인 전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는,
    유체 이동 경로를 형성하는 굴곡 구조가 형성된 판상형 구조인 전지 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는,
    모듈 케이스와 접하는 내측에 유체 이동 경로를 포함하고,
    모듈 케이스와 접하는 면의 반대측 외주면은, 모듈 케이스와 이격된 이격 영역과 모듈 케이스와 밀착하는 밀착 영역을 포함하는 굴곡 구조가 형성되고,
    상기 용접 및 보강 빔에 의한 체결은 냉각 플레이트의 밀착 영역에 형성된 구조인 전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    보강 빔에 의해 체결된 구조는,
    냉각 플레이트의 가장자리 영역을 따라 보강 빔이 체결된 구조를 포함하는 전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 빔은, 단면 구조가 H 형태인 빔 구조인 전지 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접은 브레이징(brazing)에 의해 모듈 케이스와 냉각 플레이트 사이를 접합하는 구조인 전지 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    보강 빔은 모듈 케이스의 일면과 냉각 플레이트를 관통하여 체결된 구조이고,
    용접은 모듈 케이스와 냉각 플레이트의 각 관통홀과 보강 빔 사이의 빈 공간을 충진하는 형태인 전지 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    전지 셀은, 상기 냉각 플레이트와 수직되는 방향으로 배향되어 모듈 케이스의 수납부에 수납된 구조인 전지 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는,
    수납부의 하부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임; 및
    상기 U형 프레임의 상부면을 덮는 탑 플레이트를 포함하는 전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는 수납부의 하부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임을 포함하고,
    냉각 플레이트는 U형 프레임의 하부면 외측에 체결된 구조인 전지 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는,
    수납부의 하부면을 형성하는 바텀 플레이트; 및
    수납부의 상부면과 양 측면을 감싸는 구조의 U형 프레임을 포함하고,
    냉각 플레이트는 바텀 플레이트의 하부면 외측에 체결된 구조인 전지 모듈.
  12. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, U형 프레임의 개방된 측면을 덮는 엔드 플레이트를 더 포함하는 전지 모듈.
  13. 제 1 항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지 팩.
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