WO2022080936A1 - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2022080936A1
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battery
module
cooling
cooling plate
cover
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윤현섭
박원경
성준엽
한홍구
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack that simplifies a cooling structure and improves space utilization, and a device including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a measure 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 do not have much memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are possible freely. , 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.
  • the 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 for sealingly accommodating the electrode assembly 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 secondary battery when the temperature is higher than an appropriate temperature, the performance of the secondary battery may be deteriorated, and in severe cases, there is a risk of explosion or ignition.
  • a battery module or battery pack having a plurality of secondary batteries that is, a battery cell
  • heat emitted from the plurality of battery cells is added up in a narrow space, so that the temperature may rise more rapidly and severely.
  • 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 and 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 partial perspective view of a conventional battery pack
  • FIG. 2 is a partial perspective view illustrating a mounting method of a battery module included in the battery pack of FIG. 1 .
  • a conventional battery pack may include a plurality of battery modules 10 and a pack frame 11 in which the plurality of battery modules are accommodated. For convenience of explanation, only one battery module is shown in FIG. 1 .
  • a refrigerant pipe is provided for cooling the battery module 10 , and the refrigerant is supplied through the refrigerant pipe connector 13 connected to the refrigerant pipe.
  • This refrigerant is usually a coolant, and a fluid indirect cooling structure in which the temperature is lowered by flowing such coolant inside the battery pack is applied.
  • mounting holes are provided at four corners, and the mounting bolts 12 pass through the mounting holes to be fastened to the pack frame 11. .
  • Such a mounting coupling may be made for each battery module 10 .
  • the cooling configuration such as the coolant tube connector 13 for cooling the battery module 10 and the mounting configuration such as the mounting bolt 12 for mounting the battery module 10 are separate configurations, for each configuration There is a problem that there are many parts and it is complicated.
  • the vehicle battery pack is generally formed in a single-layer structure by arranging a plurality of battery modules or battery module assemblies on the same plane in order to maintain structural stability.
  • the battery pack configured as such a single layer is installed in an electric vehicle requiring high capacity and high output and additional capacity is required, there are many structural limitations in capacity increase.
  • An object of the present invention is to provide a battery pack that simplifies a cooling structure and improves space utilization, and a device including the same.
  • a battery pack includes a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module frame for accommodating the battery cell stack, and a cooling plate positioned under the bottom of the module frame
  • At least one mounting member may be coupled to at least one of an upper end and a lower end of the cooling pipe.
  • a tapping portion to which the mounting member is mounted may be formed at at least one of an upper end and a lower end of the cooling pipe.
  • a cooling passage through which a refrigerant flows may be formed in a central portion of the cooling pipe.
  • the cooling passage may extend along a direction in which the at least one mounting member is arranged.
  • the battery pack further includes a first module cover that covers one side of the first battery module and a second module cover that covers one side of the second battery module, wherein the first module cover is separated from the first module cover.
  • a first protruding cover protruding from a lower end of the cooling pipe
  • the second module cover comprises a second protruding cover protruding from the second module cover to an upper end of the cooling pipe, the first protruding cover and the The cooling pipe may be positioned between the second protruding covers.
  • the mounting member may pass through the first protruding cover and be mounted on the tapping portion or may penetrate the second protruding cover and be mounted on the tapping portion.
  • a plurality of hole portions are formed in at least one of an upper end and a lower end of the cooling pipe, and the refrigerant of the cooling pipe may flow into the first cooling plate and the second cooling plate through the hole portions.
  • the hole may communicate with the cooling passage.
  • a through hole may be formed in the first protruding cover portion and the second protruding cover portion corresponding to the hole portion, and a sealing member may be formed in the through hole.
  • a bottom portion of the module frame may constitute an upper plate of the cooling plate, and a bottom portion of the module frame may be in contact with the refrigerant.
  • the module frame may include a module frame protrusion formed by protruding a bottom portion of the module frame, and a through hole into which a sealing member is inserted may be formed in the module frame protrusion.
  • the cooling plate may include a cooling plate protrusion protruding from one side of the cooling plate to a portion where the module frame protrusion is located.
  • a device includes the battery pack described above.
  • the mounting structure and the cooling structure which may be complicated when stacking at least two-stage battery modules, can be simplified as much as possible.
  • the cooling performance can be improved through the integrated structure of the module frame and the cooling plate.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of a conventional battery pack.
  • FIG. 2 is a partial perspective view illustrating a method of mounting a battery module included in the battery pack of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a battery module and a pack frame included in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of the battery pack of FIG. 3 viewed from a different angle in the y-axis direction.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A of FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a perspective view of a battery module included in the battery pack of FIG. 3 .
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a perspective view of the battery module of FIG. 7 viewed from the bottom of the battery module along the z-axis direction.
  • 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 part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to the gravity not.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "cross-sectional” 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 and a pack frame included in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a perspective view of the battery pack of FIG. 3 viewed from a different angle in the y-axis direction.
  • 5 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A of FIG. 4 .
  • 6 is a cross-sectional view taken along the cutting line B-B of FIG. 4 .
  • the battery pack includes a plurality of battery modules 100 arranged vertically and horizontally, and a pack frame 1100 for accommodating the plurality of battery modules 100 .
  • the battery module 100 may include a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked, a module frame accommodating the battery cell stack, and a cooling plate positioned under a bottom of the module frame.
  • a first cooling plate 300a and a second battery module 100a and a second battery module 100b stacked up and down among the plurality of battery modules 100 are disposed below each other.
  • a cooling plate 300b is formed.
  • the battery pack according to this embodiment includes a cooling pipe 1000 that connects the first cooling plate 300a and the second cooling plate 300b and is formed along one side of the first battery module 100a.
  • At least one mounting member 500 is coupled to at least one of an upper end and a lower end of the cooling pipe 1000 .
  • a tapping portion 505 on which the mounting member 500 is mounted is formed on at least one of the upper end and the lower end of the cooling pipe 1000 .
  • the tapping part 505 may be a part in which a part of a member constituting the cooling pipe is cut so that the mounting member 500 is mounted.
  • a cooling passage 1000F through which a refrigerant flows is formed in the central portion of the cooling pipe 1000 .
  • the cooling passage 1000F extends along a direction in which the at least one mounting member 500 is arranged. It may have a structure in which the cooling passage 1000F extends along the x-axis direction shown in FIGS. 4 and 5 .
  • the first mounting member 500a is mounted to the first tapping part 505a formed at the lower end of the cooling pipe 1000 with respect to the cooling passage 1000F, and formed at the upper end of the cooling pipe 1000 .
  • a second mounting member 500b may be mounted to the second tapping part 505b.
  • the battery pack according to the present embodiment includes a first module cover 220a that covers one side of the first battery module 100a and a second cover that covers one side of the second battery module 100b. It may further include a module cover (220b).
  • the first module cover 220a includes a first protruding cover 220p1 protruding from the first module cover 220a to the lower end of the cooling pipe 1000
  • the second module cover 220b includes a second module
  • a second protruding cover 220p2 protruding from the cover 220b to the upper end of the cooling pipe 1000 may be included.
  • the cooling pipe 1000 may be positioned between the first protruding cover 220p1 and the second protruding cover 220p2 .
  • the mounting member 500 may be mounted on the tapping part 505 through the first protruding cover 220p1 or may be mounted on the tapping part 505 through the second protruding cover 220p2 .
  • the module frame protrusion 500p and the cooling plate protrusion 300p overlap the protruding covers 220p1 and 200p2 and the mounting member 500 may be inserted through a hole passing through them.
  • a description of the module frame protrusion 500p and the cooling plate protrusion 300p will be described later.
  • a plurality of hole portions 505h are formed in at least one of the upper end and the lower end of the cooling pipe 1000, and the refrigerant of the cooling pipe 1000 is discharged through the hole 505h. It may flow into the first cooling plate 300a and the second cooling plate 300b.
  • the hole 505h may communicate with the cooling passage 1000F.
  • a through hole may be formed in a portion of the first protruding cover 220p1 and a portion of the second protruding cover 220p2 corresponding to the hole 505h, and a sealing member 600 may be formed in the through hole.
  • the first sealing member 600a is mounted on the first hole portion 505h1 formed at the lower end of the cooling pipe 1000 with respect to the cooling passage 1000F, and the first sealing member 600a is mounted on the upper end of the cooling pipe 1000 .
  • a second sealing member 600b may be mounted to the second hole 505h2.
  • the sealing member 600 may be a gasket.
  • the pack assembly property can be improved through the simplification of assembly.
  • the cost reduction effect is great through the reduction of the manufacturing process, and the rigidity can be improved through the layered connection structure.
  • FIG. 7 is a perspective view of a battery module included in the battery pack of FIG. 3 .
  • 8 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 7 .
  • 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 ( and a module frame 200 for accommodating 120 .
  • the battery module 100 may include a cooling plate 300 positioned below the bottom portion 210a of the module frame 200 , and supplies refrigerant to the cooling plate 300 through the through hole 510h. and the refrigerant may be discharged from the cooling plate 300 .
  • 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 the outer periphery 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 plate 220 and a frame member 210 .
  • the frame member 210 may be U-shaped.
  • the frame member 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 (in the direction opposite to the z-axis) of the battery cell stack 120
  • the side portion 210b is formed on both sides of the battery cell stack 120 (in the direction opposite to the x-axis direction). ) can be covered.
  • the upper plate 220 may be formed in a single plate-shaped structure that covers the lower surface covered by the frame member 210 and the upper surface (z-axis direction) other than the both sides.
  • the upper plate 220 and the frame member 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 corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the battery cell stack 120 may be physically protected through the upper plate 220 and the frame member 210 .
  • the upper plate 220 and the frame member 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 an upper surface, a lower surface, and both sides are integrated. That is, the frame member 210 and the upper plate 220 are not mutually coupled, 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 formed to cover the battery cell stack 120 by being positioned on both open sides (the y-axis direction and the opposite direction) corresponding to the open of the module frame 200 .
  • 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 may include a module frame protrusion 500p formed so that the bottom portion 210a of the module frame 200 extends and passes through the end plate 400 .
  • a plurality of through-holes are formed in the module frame protrusion 500p, and the mounting member 500 and the sealing member 600 described with reference to FIGS. 4 to 6 may be inserted into the plurality of through-holes.
  • FIG. 9 is a perspective view of the battery module of FIG. 7 viewed from the bottom of the battery module along the z-axis direction.
  • the bottom part 210a of the module frame 200 constitutes an upper plate of the cooling plate 300 , and the recessed part 340 of the cooling plate 300 and the module frame 200 .
  • the bottom portion 210a of the may form a flow path of the refrigerant.
  • the cooling plate 300 is formed under the module frame 200 , and the cooling plate 300 forms a skeleton of the cooling plate 300 and is welded to the bottom portion 210a of the module frame 200 . It may include a lower plate 310 that is directly coupled to each other, and a depression 340 that is a path through which the refrigerant flows. Also, the cooling plate 300 may include a cooling plate protrusion 300p protruding from one side of the cooling plate 300 to a portion where the module frame protrusion 500p is located.
  • the cooling plate protrusion 300p and the module frame protrusion 500p may be directly coupled to each other by welding or the like.
  • the recessed portion 340 of the cooling plate 300 corresponds to a portion in which the lower plate 310 is recessed downward.
  • the recessed portion 340 may be a U-shaped tube with a cross-section cut in the xy plane perpendicular to the direction in which the refrigerant 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.
  • This depression 340 may lead from one of the cooling plate projections 300p to the other.
  • a thermally conductive resin layer including a thermal conductive resin may be positioned between the bottom 210a of the module frame 200 of FIG. 7 and the battery cell stack 120 .
  • the thermal conductive resin layer may be formed by applying a thermal resin to the bottom portion 210a, and curing the applied thermal 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 in a liquid phase during application or by curing after application. In addition, heat generated in the battery cell 110 can be quickly transferred to the lower side of the battery module due to its excellent thermal conductivity.
  • heat generated in the battery cell is sequentially transferred to the outside of the battery module through the thermal conductive resin layer, the bottom of the module frame, the heat transfer member, and the coolant of the cooling plate.
  • the flow path of the refrigerant of the cooling plate is located inside the cooling plate.
  • the battery module 100 implements a cooling integrated structure of the module frame 200 and the cooling plate 300 to further improve cooling performance. Since the bottom portion 210a of the module frame 200 serves to correspond to the upper plate of the cooling plate 300 , a cooling integrated structure may be implemented. Cooling efficiency increases due to direct cooling, and the cooling plate 300 is integrated with the bottom part 210a of the module frame 200 through the battery module 100 and the battery pack on which the battery module 100 is mounted. Space utilization can be further improved.
  • 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 configured as an upper plate of the cooling plate 300 , the bottom portion 210a directly comes into contact with the coolant, so that more direct cooling is possible through the coolant.
  • the height of the battery module 100 is reduced through the removal of the unnecessary cooling structure, so that it is possible to reduce the cost and increase the 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 of the cooling plate 300 in which the depression 340 is not formed through 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 without leakage in the depression 340 formed inside the lower plate 310 . there is.
  • 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 to lead from one side to the other.
  • the depression 340 is preferably bent several times. As the refrigerant moves from the start point to the end point of the refrigerant flow path formed over the entire area corresponding to the bottom portion 210a of the module frame 200, 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.
  • the above-described battery module and battery pack including the same may be applied to various devices.
  • a device may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, and a hybrid vehicle, but the present invention is not limited thereto and is applicable to various devices that can use a battery module and a battery pack including the same, and this It belongs to the scope of the invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 냉각 플레이트를 포함하는 복수의 전지 모듈, 상기 복수의 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임, 상기 복수의 전지 모듈 중에서 상하로 적층된 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈 각각의 하측에 형성된 제1 냉각 플레이트와 제2 냉각 플레이트, 및 상기 제1 냉각 플레이트와 상기 제2 냉각 플레이트를 연결하고, 상기 제1 전지 모듈의 일측부를 따라 형성되는 냉각 파이프를 포함한다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 10월 16일자 한국 특허 출원 제10-2020-0134032호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 냉각 구조를 단순화하고 공간 활용도를 향상시키는 전지팩 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 전지셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 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 전지팩에 대한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈의 마운팅 방법을 나타내는 부분 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지팩은 복수의 전지 모듈(10) 및 복수의 전지 모듈이 수납되는 팩 프레임(11)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 도 1은 하나의 전지 모듈만을 나타내었다.
종래의 전지팩은 전지 모듈(10)의 냉각을 위해 냉매관을 마련하였고, 냉매관과 연결된 냉매관 커넥터(13)를 통해 냉매를 공급하였다. 이러한 냉매는 보통 냉각수로써, 전지팩 내부에 이러한 냉각수를 흘려 온도를 낮추는 유체 간접 냉각 구조를 적용하였다.
한편, 전지 모듈(10)을 팩 프레임(11)에 수납할 때, 4개의 모서리에 마운팅 홀을 마련하고, 마운팅 볼트(12)가 상기 마운팅 홀을 통과하여 팩 프레임(11)과 체결될 수 있다. 각 전지 모듈(10) 마다 이러한 마운팅 결합이 이루어질 수 있다.
이 때, 전지 모듈(10)의 냉각을 위한 냉매관 커넥터(13) 등의 냉각 구성과 전지 모듈(10)의 마운팅을 위한 마운팅 볼트(12) 등의 마운팅 구성을 별개의 구성으로, 각 구성마다 부품이 많고 복잡하다는 문제가 있다.
또한, 조립 불량이나 운행 중 사고 등의 원인으로, 냉매관이나 냉매관 커넥터(13) 등으로부터 냉매가 누설되는 상황이 발생할 수 있는데, 이렇게 누설된 냉매는 전지팩 내부로 침투하여 화재나 폭발의 원인이 될 수 있다.
따라서, 냉각 성능은 높이면서, 냉매의 누설로 인한 피해를 최소화할 수 있는 전지팩을 개발하는 것이 요구되고 있다.
또한, 차량용 전지팩은 구조적 안정성을 유지하기 위해 일반적으로 복수의 전지 모듈 내지 전지 모듈 어셈블리를 동일한 평면 상에 배열하여 단층 구조로 형성된다. 그러나, 이와 같이 단층으로 구성되는 전지팩은, 고용량 고출력을 필요로 하는 전기 자동차에 장착되어 추가적인 용량이 요구되는 경우, 용량 증가에 있어서 구조적으로 많은 제한이 있다. 또한, 용량 추가에 따른 냉각 장치의 구조적 확장에도 어려움이 따른다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 냉각 구조를 단순화하고 공간 활용도를 향상시키는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 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 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 냉각 플레이트를 포함하는 복수의 전지 모듈, 상기 복수의 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임, 상기 복수의 전지 모듈 중에서 상하로 적층된 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈 각각의 하측에 형성된 제1 냉각 플레이트와 제2 냉각 플레이트, 및 상기 제1 냉각 플레이트와 상기 제2 냉각 플레이트를 연결하고, 상기 제1 전지 모듈의 일측부를 따라 형성되는 냉각 파이프를 포함한다.
상기 냉각 파이프의 상단과 하단 중 적어도 하나에는 적어도 하나의 마운팅 부재가 결합될 수 있다.
상기 냉각 파이프의 상단부와 하단부 중 적어도 하나에는 상기 마운팅 부재가 장착되는 탭핑부(tapping portion)가 형성될 수 있다.
상기 냉각 파이프의 중앙부에는 냉매가 흐르는 냉각 유로가 형성될 수 있다.
상기 냉각 유로는, 상기 적어도 하나의 마운팅 부재가 배열되어 있는 방향을 따라 뻗을 수 있다.
상기 전지팩은 상기 제1 전지 모듈의 일측부를 덮는 제1 모듈 커버와 상기 제2 전지 모듈의 일측부를 덮는 제2 모듈 커버를 더 포함하고, 상기 제1 모듈 커버는, 상기 제1 모듈 커버로부터 상기 냉각 파이프의 하단으로 돌출된 제1 돌출 커버를 포함하고, 상기 제2 모듈 커버는 상기 제2 모듈 커버로부터 상기 냉각 파이프의 상단으로 돌출된 제2 돌출 커버를 포함하며, 상기 제1 돌출 커버와 상기 제2 돌출 커버 사이에 상기 냉각 파이프가 위치할 수 있다.
상기 마운팅 부재는 상기 제1 돌출 커버를 관통하여 상기 탭핑부에 장착되거나 상기 제2 돌출 커버를 관통하여 상기 탭핑부에 장착될 수 있다.
상기 냉각 파이프의 상단부와 하단부 중 적어도 하나에는 복수의 홀부(hole portion)가 형성되고, 상기 홀부를 통해 상기 냉각 파이프의 냉매가 상기 제1 냉각 플레이트와 상기 제2 냉각 플레이트로 유입될 수 있다.
상기 홀부는 상기 냉각 유로와 연통될 수 있다.
상기 홀부에 대응하는 상기 제1 돌출 커버 부분 및 상기 제2 돌출 커버 부분에는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에는 실링 부재가 형성될 수 있다.
상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 냉각 플레이트의 상부 플레이트를 구성하며, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 냉매와 접촉할 수 있다.
상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 돌출되어 형성된 모듈 프레임 돌출부를 포함하고, 상기 모듈 프레임 돌출부에는 실링 부재가 삽입되는 관통홀이 형성될 수 있다.
상기 냉각 플레이트는, 상기 냉각 플레이트의 일변으로부터 상기 모듈 프레임 돌출부가 위치한 부분으로 돌출된 냉각 플레이트 돌출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 앞에서 설명한 전지팩을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 냉각 구조와 마운팅 구조를 일체화함으로써, 적어도 2단의 전지 모듈 적층 시 복잡해질 수 있는 마운팅 구조와 냉각 구조를 최대한 단순화할 수 있다.
모듈 프레임과 냉각 플레이트의 일체화된 구조를 통해 냉각 성능이 향상될 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 전지팩에 대한 부분 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지팩에 포함된 전지 모듈의 마운팅 방법을 나타내는 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 포함된 전지 모듈 및 팩 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지팩을 다른 각도인 y축 방향을 따라 바라본 사시도이다.
도 5는 도 4의 절단선 A-A를 따라 자른 단면도이다.
도 6은 도 4의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 7은 도 3의 전지팩에 포함된 전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 8은 도 7의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 9는 도 7의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 전지 모듈의 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 포함된 전지 모듈 및 팩 프레임을 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지팩을 다른 각도인 y축 방향을 따라 바라본 사시도이다. 도 5는 도 4의 절단선 A-A를 따라 자른 단면도이다. 도 6은 도 4의 절단선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 상하좌우로 배치된 복수의 전지 모듈(100)과, 복수의 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100)을 포함한다. 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 냉각 플레이트를 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 복수의 전지 모듈(100) 중에서 상하로 적층된 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b) 각각의 하측에는 제1 냉각 플레이트(300a)와 제2 냉각 플레이트(300b)가 형성되어 있다. 본 실시예에 따른 전지팩은, 제1 냉각 플레이트(300a)와 제2 냉각 플레이트(300b)를 연결하고, 제1 전지 모듈(100a)의 일측부를 따라 형성되는 냉각 파이프(1000)를 포함한다.
냉각 파이프(1000)의 상단과 하단 중 적어도 하나에는 적어도 하나의 마운팅 부재(500)가 결합되어 있다. 냉각 파이프(1000)의 상단부와 하단부 중 적어도 하나에는 마운팅 부재(500)가 장착되는 탭핑부(505; tapping portion)가 형성되어 있다. 탭핑부(505)는 마운팅 부재(500)가 장착되도록 냉각 파이프를 구성하는 부재 일부가 절삭되어 있는 부분일 수 있다.
냉각 파이프(1000)의 중앙부에는 냉매가 흐르는 냉각 유로(1000F)가 형성되어 있다. 냉각 유로(1000F)는, 적어도 하나의 마운팅 부재(500)가 배열되어 있는 방향을 따라 뻗어 있다. 도 4 및 도 5에 도시한 x축 방향을 따라 냉각 유로(1000F)가 길게 뻗어 있는 구조일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 냉각 유로(1000F)를 기준으로 냉각 파이프(1000)의 하단부에 형성된 제1 탭핑부(505a)에 제1 마운팅 부재(500a)가 장착되고, 냉각 파이프(1000) 상단부에 형성된 제2 탭핑부(505b)에 제2 마운팅 부재(500b)가 장착될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지팩은, 제1 전지 모듈(100a)의 일측부를 덮는 제1 모듈 커버(220a)와 제2 전지 모듈(100b)의 일측부를 덮는 제2 모듈 커버(220b)를 더 포함할 수 있다. 제1 모듈 커버(220a)는, 제1 모듈 커버(220a)로부터 냉각 파이프(1000)의 하단으로 돌출된 제1 돌출 커버(220p1)를 포함하고, 제2 모듈 커버(220b)는, 제2 모듈 커버(220b)로부터 냉각 파이프(1000)의 상단으로 돌출된 제2 돌출 커버(220p2)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 돌출 커버(220p1)와 제2 돌출 커버(220p2) 사이에 냉각 파이프(1000)가 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 마운팅 부재(500)는 제1 돌출 커버(220p1)를 관통하여 탭핑부(505)에 장착되거나 제2 돌출 커버(220p2)를 관통하여 탭핑부(505)에 장착될 수 있다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(500p) 및 냉각 플레이트 돌출부(300p)가, 돌출 커버(220p1, 200p2)와 중첩하여 이들을 관통하는 홀을 통해 마운팅 부재(500)가 삽입될 수 있다. 모듈 프레임 돌출부(500p) 및 냉각 플레이트 돌출부(300p)에 대한 설명은 후술하기로 한다.
도 4 및 도 6을 참고하면, 냉각 파이프(1000)의 상단부와 하단부 중 적어도 하나에는 복수의 홀부(505h; hole portion)가 형성되고, 홀부(505h)를 통해 냉각 파이프(1000)의 냉매가 제1 냉각 플레이트(300a)와 제2 냉각 플레이트(300b)로 유입될 수 있다. 홀부(505h)는 냉각 유로(1000F)와 연통될 수 있다.
홀부(505h)에 대응하는 제1 돌출 커버(220p1) 부분 및 제2 돌출 커버(220p2) 부분에는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에는 실링 부재(600)가 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 냉각 유로(1000F)를 기준으로 냉각 파이프(1000)의 하단부에 형성된 제1 홀부(505h1)에 제1 실링 부재(600a)가 장착되고, 냉각 파이프(1000) 상단부에 형성된 제2 홀부(505h2)에 제2 실링 부재(600b)가 장착될 수 있다. 실링 부재(600)는 개스킷일 수 있다.
모듈 프레임 돌출부(500p) 및 냉각 플레이트 돌출부(300p)가, 돌출 커버(220p1, 200p2)와 중첩하여 이들을 관통하는 홀을 통해 실링 부재(600)가 삽입될 수 있다.
이상과 같이 본 실시예에 다르면, 냉각 구조와 마운팅 구조를 냉각 파이프를 통해 일체형으로 형성함으로써, 조립의 단순화를 통해 팩 조립성을 향상시킬 수 있다. 제조 공정 축소를 통해 가격 절감 효과도 크고, 층상 연결 구조를 통해 강성을 향상시킬 수도 있다.
도 7은 도 3의 전지팩에 포함된 전지 모듈에 대한 사시도이다. 도 8은 도 7의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 3, 도 7 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120) 및 전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)을 포함한다. 또한, 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a) 아래에 위치하는 냉각 플레이트(300)를 포함할 수 있고, 관통홀(510h)를 통해 냉각 플레이트(300)에 냉매를 공급하고, 냉각 플레이트(300)로부터 냉매를 배출할 수 있다.
전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시티의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 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 8에 도시된 바와 같이 x축과 평행한 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 플레이트(220) 및 프레임 부재(210)를 포함할 수 있다. 프레임 부재(210)는 U자형일 수 있다.
프레임 부재(210)는 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면(x축 방향과 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
상부 플레이트(220)는 프레임 부재(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 플레이트(220)와 프레임 부재(210)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 플레이트(220)와 프레임 부재(210)를 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 플레이트(220)와 프레임 부재(210)는 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, 프레임 부재(210)와 상부 플레이트(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 방향과 그 반대 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(500p)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(500p)에는 복수의 관통홀이 형성되고, 도 4 내지 도 6에서 설명한 마운팅 부재(500)와 실링 부재(600)가 상기 복수의 관통홀에 삽입될 수 있다.
이하에서는, 도 8 및 도 9를 참고하여, 본 실시예에 따른 냉각 플레이트에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 9는 도 7의 전지 모듈을 z축 방향을 따라 전지 모듈의 아래에서 위로 바라본 사시도이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 냉각 플레이트(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 냉각 플레이트(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 냉각 플레이트(300)는 모듈 프레임(200)의 하부에 형성되고, 냉각 플레이트(300)는, 냉각 플레이트(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접 등으로 직접 결합하는 하부 플레이트(310) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 수 있다. 또한, 냉각 플레이트(300)는, 냉각 플레이트(300)의 일변으로부터 모듈 프레임 돌출부(500p)가 위치한 부분으로 돌출된 냉각 플레이트 돌출부(300p)를 포함할 수 있다.
냉각 플레이트 돌출부(300p)와 모듈 프레임 돌출부(500p)는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합될 수 있다.
냉각 플레이트(300)의 함몰부(340)는, 하부 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(340)는 냉매의 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xy평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 냉각 플레이트(300)가 바닥부(210a)와 접하면서, 함몰부(340)과 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.
냉각 플레이트(300)의 함몰부(340)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 냉각 플레이트(300)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
이러한 함몰부(340)는 냉각 플레이트 돌출부(300p)들 중 하나로부터 다른 하나로 이어질 수 있다. 한편, 도시하지는 않았지만, 도 7의 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.
종래의 전지 모듈에서는 전지셀에서 발생한 열이 열전도성 수지층, 모듈 프레임의 바닥부, 열전달 부재 및 냉각 플레이트의 냉매를 차례로 거쳐 전지 모듈의 외부로 전달된다. 또한 냉각 플레이트의 냉매의 유로는 냉각 플레이트 내부에 위치한다.
반면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)과 냉각 플레이트(300)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉각 플레이트(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 함으로써 냉각 일체형 구조를 구현할 수 있다. 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 냉각 플레이트(300)가 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)이 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 냉각 플레이트(300)의 상부 플레이트로 구성되어, 바닥부(210a)가 바로 냉매와 맞닿기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 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 냉각 플레이트(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 냉각 플레이트(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 8에 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. 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.
앞에서 설명한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩은 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 전지 팩을 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.
1000: 냉각 파이프
1000F: 냉각 유로
300: 냉각 플레이트
500: 마운팅 부재
505: 탭핑부
505h: 홀부
600: 실링 부재
220a, 220b: 제1, 2 모듈 커버
220p1, 200p2: 제1, 2 돌출 커버

Claims (14)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀 적층체를 수납하는 모듈 프레임 및 상기 모듈 프레임의 바닥부 아래에 위치하는 냉각 플레이트를 포함하는 복수의 전지 모듈,
    상기 복수의 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임,
    상기 복수의 전지 모듈 중에서 상하로 적층된 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈 각각의 하측에 형성된 제1 냉각 플레이트와 제2 냉각 플레이트, 및
    상기 제1 냉각 플레이트와 상기 제2 냉각 플레이트를 연결하고, 상기 제1 전지 모듈의 일측부를 따라 형성되는 냉각 파이프를 포함하는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각 파이프의 상단과 하단 중 적어도 하나에는 적어도 하나의 마운팅 부재가 결합되어 있는 전지팩.
  3. 제2항에서,
    상기 냉각 파이프의 상단부와 하단부 중 적어도 하나에는 상기 마운팅 부재가 장착되는 탭핑부(tapping portion)가 형성되어 있는 전지팩.
  4. 제3항에서,
    상기 냉각 파이프의 중앙부에는 냉매가 흐르는 냉각 유로가 형성되는 전지팩.
  5. 제4항에서,
    상기 냉각 유로는, 상기 적어도 하나의 마운팅 부재가 배열되어 있는 방향을 따라 뻗어 있는 전지팩.
  6. 제4항에서,
    상기 제1 전지 모듈의 일측부를 덮는 제1 모듈 커버와 상기 제2 전지 모듈의 일측부를 덮는 제2 모듈 커버를 더 포함하고,
    상기 제1 모듈 커버는, 상기 제1 모듈 커버로부터 상기 냉각 파이프의 하단으로 돌출된 제1 돌출 커버를 포함하고, 상기 제2 모듈 커버는 상기 제2 모듈 커버로부터 상기 냉각 파이프의 상단으로 돌출된 제2 돌출 커버를 포함하며,
    상기 제1 돌출 커버와 상기 제2 돌출 커버 사이에 상기 냉각 파이프가 위치하는 전지팩.
  7. 제6항에서,
    상기 마운팅 부재는 상기 제1 돌출 커버를 관통하여 상기 탭핑부에 장착되거나 상기 제2 돌출 커버를 관통하여 상기 탭핑부에 장착되는 전지팩.
  8. 제6항에서,
    상기 냉각 파이프의 상단부와 하단부 중 적어도 하나에는 복수의 홀부(hole portion)가 형성되고, 상기 홀부를 통해 상기 냉각 파이프의 냉매가 상기 제1 냉각 플레이트와 상기 제2 냉각 플레이트로 유입되는 전지팩.
  9. 제8항에서,
    상기 홀부는 상기 냉각 유로와 연통되는 전지팩.
  10. 제8항에서,
    상기 홀부에 대응하는 상기 제1 돌출 커버 부분 및 상기 제2 돌출 커버 부분에는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에는 실링 부재가 형성되어 있는 전지팩.
  11. 제1항에서,
    상기 모듈 프레임의 바닥부는 상기 냉각 플레이트의 상부 플레이트를 구성하며, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 상기 냉매와 접촉하는 전지팩.
  12. 제11항에서,
    상기 모듈 프레임은, 상기 모듈 프레임의 바닥부가 돌출되어 형성된 모듈 프레임 돌출부를 포함하고,
    상기 모듈 프레임 돌출부에는 실링 부재가 삽입되는 관통홀이 형성되어 있는 전지팩.
  13. 제12항에서,
    상기 냉각 플레이트는, 상기 냉각 플레이트의 일변으로부터 상기 모듈 프레임 돌출부가 위치한 부분으로 돌출된 냉각 플레이트 돌출부를 포함하는 전지팩.
  14. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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