WO2024043540A1 - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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이정훈
유재욱
김두승
엄태기
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Definitions

  • the present invention relates to a battery module and a battery pack including the same, and more specifically, to a battery module with improved cooling performance by enabling direct cooling and a battery pack including the same.
  • secondary batteries that can be charged and discharged are a way to solve air pollution from existing gasoline vehicles that use fossil fuels, and are used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and plug-in hybrid electric vehicles ( As it is used as a power source for batteries such as P-HEV), the need for development of secondary batteries is increasing.
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries can be classified into can-type secondary batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type secondary batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • a battery module is made by electrically connecting multiple battery cells. This is used.
  • These battery modules have improved capacity and output by connecting multiple battery cells in series or parallel to each other to form a battery cell stack.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a battery disconnect unit (BDU), battery management system (BMS), and cooling system to form a battery pack.
  • BDU battery disconnect unit
  • BMS battery management system
  • cooling system to form a battery pack.
  • the temperature of a secondary battery rises higher than the appropriate temperature, the performance of the secondary battery may deteriorate, and in severe cases, there is a risk of explosion or ignition.
  • the temperature of a battery module or battery pack having multiple secondary batteries that is, battery cells
  • the temperature of a battery module or battery pack having multiple secondary batteries can increase rapidly and severely due to the addition of heat from the multiple battery cells in a small space.
  • 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 battery cell deteriorates faster, its lifespan is shortened, and the possibility of explosion or ignition increases.
  • Cooling methods for battery modules or battery packs can be broadly divided into water-cooling methods using refrigerants such as coolant and air-cooling methods using cooling wind. Among them, water cooling has excellent cooling performance and can effectively cool the high heat generated from large-capacity battery modules or battery packs.
  • Figure 1 is a perspective view of a conventional battery module
  • Figure 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' of Figure 1.
  • a heat sink 30 disposed below the battery module 10 is additionally shown for convenience of explanation.
  • a conventional battery module 10 includes a battery cell stack 12 in which a plurality of battery cells 11 are stacked and a module frame 20 that accommodates the battery cell stack 12. Includes.
  • the battery cell 11 is a pouch-shaped battery cell, and the pouch-shaped battery cell has a rectangular sheet structure.
  • the battery module 10 Because multiple battery cells 11 are stacked, the battery module 10 generates a large amount of heat during charging and discharging.
  • the battery module 10 including a pouch-type battery cell was cooled by indirectly or directly contacting the edge of the battery cell 11 to a heat sink 60 having a fixed position and size.
  • the battery module 10 may include a thermal resin layer 40 located between the battery cell stack 12 and the bottom of the module frame 20. Additionally, when the battery module 10 is mounted on the pack frame to form a battery pack, the heat transfer member 50 and the heat sink 30 may be positioned sequentially under the battery module 10.
  • the heat transfer member 50 may be a heat dissipation pad, and the heat sink 30 may have a cooling passage 31 formed therein through which a refrigerant such as coolant flows.
  • the edges of the battery cells 11 stacked in one direction are in contact with the thermal resin layer 40, and the heat generated from the battery cells 11 is directed to the thermal resin layer 40, the bottom of the module frame 20, It may be discharged to the outside of the battery module 10 through the heat transfer member 50 and the heat sink 30 in that order. That is, a water-cooled structure that discharges heat through the edge portion of the battery cell 11 was applied to the conventional battery module 10.
  • the water-cooled structure utilizing the edge portion of the battery cell 11 has a relatively simple structure, but has poor cooling performance.
  • the battery cells 110 undergo a phenomenon in which the internal electrolyte decomposes and gas is generated during repeated charging and discharging or during the initial charging process, causing the battery cells 110 to swell, that is, swelling. Breathing may occur.
  • the thermal resin layer 40 generally has adhesive properties and the battery cells 11 are fixed thereto, so swelling of the battery cells 11 in the direction parallel to the y-axis When this occurs, high stress occurs at the edge of the battery cell 11, which may lead to cracks in the pouch case of the battery cell 11.
  • the battery cells 11 located on the outer side of the battery cell stack 12 are subject to greater stress due to swelling, thereby increasing the risk of cracks occurring.
  • pure Si cells, all-solid-state batteries, and SiO high-content cells can be applied as pouch battery cells to implement high-capacity battery modules and battery packs.
  • the degree of swelling is greater.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery module capable of directly cooling each of the bus bars connecting the battery cell and the electrode lead of the battery cell, and a battery pack including the same.
  • a battery module includes a plurality of battery cell groups including at least one battery cell and stacked along one direction; and a heat sink that cools the battery cell groups.
  • the battery cell includes electrode leads that protrude in a direction perpendicular to the direction in which the battery cell groups are stacked.
  • the heat sink is located in a direction in which the electrode leads protrude relative to the cooling tubes interposed between the battery cell groups and the battery cell, runs along the direction in which the battery cell groups are stacked, and connects the cooling tubes.
  • the battery module may further include a bus bar connected to the electrode lead, and an insulating member may be positioned between the bus bar and the manifold. One surface of the insulating member may contact the bus bar, and the other surface of the insulating member may contact the manifold.
  • the battery module may further include an insulating frame located in a direction in which the electrode lead protrudes relative to the battery cell, and the bus bar may be mounted on the insulating frame.
  • the bus bar may be mounted on a side of the insulating frame opposite to the side facing the battery cell groups, and the electrode lead may be bent after passing through a lead slit formed in the insulating frame and connected to the bus bar. .
  • An opening hole may be formed in the insulating frame, and the bus bar may be exposed toward the manifold through the opening hole.
  • the bus bar may extend beyond one side of the insulating frame and be exposed toward the manifold.
  • the insulating member may be an insulating tape having electrical insulation and adhesive properties.
  • the battery module may further include a bus bar connected to the electrode lead, and the bus bar and the manifold may be in direct contact.
  • the cooling tube may be in the form of a rectangular sheet, and the cooling tube may cover the entire surface of the battery cell group and contact the surface of the battery cell group.
  • the manifold may have a cylindrical shape.
  • the battery cell group may have at least one battery cell wrapped in a wrapping member.
  • the wrapping member may have electrical insulation properties.
  • the battery cell group may have two or more battery cells wrapped in a wrapping member, and a compression pad may be interposed between at least one of the two or more battery cells.
  • the manifold may include a first manifold located on one side of the cooling tubes and a second manifold located on the other side of the cooling tubes.
  • a circulation structure of the refrigerant may be formed in the first manifold, the cooling tubes, and the second manifold.
  • An inlet through which the refrigerant flows may be connected to a first part of the first manifold, and an outlet through which the refrigerant is discharged may be connected to a second part of the first manifold, and the first part and the second The parts may be separated by separate members.
  • the refrigerant may sequentially flow inside each of the first part, the cooling tubes connected to the first part, the second manifold, the cooling tubes connected to the second part, and the second part.
  • An inlet through which the refrigerant flows may be connected to the first manifold, and an outlet through which the refrigerant flows may be connected to the second manifold.
  • the refrigerant may sequentially flow inside each of the first manifold, the cooling tubes, and the second manifold.
  • a battery pack includes the battery module; a pack frame in which the battery module is stored; and vertical beams disposed on the bottom of the pack frame so as to be perpendicular to one surface of the bottom of the pack frame.
  • the battery module is disposed between the vertical beams.
  • An adhesive member may be positioned between the battery module and the bottom of the pack frame.
  • It may further include an upper bracket located at the top of the battery module, extending along the direction in which the battery cell groups are stacked, and fastened to the vertical beam.
  • the battery module may further include a module frame that accommodates the battery cell groups and the heat sink.
  • a protruding module mounting portion may be formed on the module frame, and the module mounting portion may be fastened to the vertical beam.
  • the battery module has increased cooling performance because the heat sink includes a cooling tube located between battery cells, enabling surface cooling of the battery cells rather than the existing edge cooling structure. .
  • the electrode lead part of the battery cell is a part of the battery cell that generates a lot of heat.
  • the bus bar connecting the electrode lead of the battery cell to contact the heat sink through an insulating member By configuring the bus bar connecting the electrode lead of the battery cell to contact the heat sink through an insulating member, the cooling performance of the battery module can be further improved. .
  • Figure 1 is a perspective view of a conventional battery module.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a cross-section taken along the cutting line A-A' in Figure 1.
  • Figure 3 is a perspective view showing a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an exploded perspective view showing the bus bar assembly separated from the battery module of Figure 3.
  • FIG. 5 is a perspective view showing only the battery cell group and heat sink with the bus bar assembly removed from the battery module of Figure 3.
  • Figure 6 is a perspective view showing a battery cell group included in the battery module of Figure 3.
  • FIG. 7 is a perspective view showing only the battery cells and compression pads with the wrapping member removed from the battery cell group of FIG. 6.
  • Figure 8 is a plan view showing one of the battery cells shown in Figure 7.
  • FIG 9 is a perspective view showing a heat sink included in the battery module of Figures 3 and 4.
  • FIG. 10 is a plan view showing the heat sink of FIG. 9 as seen along the -z axis direction on the xy plane.
  • Figure 11 is a partial cross-sectional view showing a portion of a cross-section taken along the cutting line B-B' of Figure 3.
  • Figure 12 is a perspective view showing an insulating frame included in the battery module of Figure 3.
  • Figure 13 is a partial cross-sectional view showing a portion of a cross-section taken along the cutting line C-C' of Figure 3.
  • Figure 14 is a perspective view showing an insulating frame and bus bar according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 15 is a plan view showing a heat sink according to another embodiment of the present invention as seen along the -z axis direction on the xy plane.
  • Figures 16 and 17 are a front view and a top view, respectively, of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 18 is a perspective view showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the battery module 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the bus bar assembly 400 separated from the battery module 100 of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a perspective view showing only the battery cell group 200 and the heat sink 300 with the bus bar assembly 400 removed from the battery module 100 of FIG. 3.
  • a battery module 100 includes a plurality of battery cell groups 200 stacked along one direction; and a heat sink 300 that cools these battery cell groups 200.
  • the battery cell group 200 includes at least one battery cell, and the battery cell includes electrode leads 111 and 112 protruding in a direction perpendicular to the direction in which the battery cell groups 200 are stacked. 3 to 5, battery cell groups 200 are stacked along a direction parallel to the y-axis, and the electrode leads 111 and 112 of the battery cells protrude in both the x-axis direction and the -x-axis direction, respectively. This is shown.
  • the battery cell group 200 will be described in more detail below with reference to FIGS. 6 to 8.
  • the heat sink 300 includes cooling tubes 310 and a manifold 320 interposed between the battery cell groups 200.
  • the manifold 320 is located in the direction in which the electrode leads 111 and 112 protrude relative to the battery cells, runs along the direction in which the battery cell groups 200 are stacked, and connects the cooling tubes 310.
  • a flow path is formed inside the cooling tube 310 and the manifold 320, so that the refrigerant flows along the inside of the cooling tube 310 and the manifold 320.
  • the refrigerant may be, for example, coolant.
  • the battery module 100 according to this embodiment may have a water-cooled cooling structure.
  • the cooling tube 310 interposed between the battery cell groups 200 contacts one surface of the battery cell group 200.
  • the cooling tube 310 may be in the form of a rectangular sheet, and the cooling tube 310 may cover the entire surface of the battery cell group 200 and may contact the surface of the battery cell group 200. That is, the battery module 100 according to this embodiment, unlike the conventional battery module 10 of the edge cooling structure described in FIGS. 1 and 2, has a cooling tube 310 through which the refrigerant flows inside the battery cell group 200. ) has a surface cooling structure that directly contacts one surface. In the case of a surface cooling structure, cooling performance is greatly increased because the surface on which cooling occurs is relatively much wider.
  • the battery cells are not adhered and fixed to the thermal resin layer 40, so even if swelling occurs in the battery cells, high stress is generated at the edges of the battery cells. does not occur In other words, cracks in the pouch case of the battery cell can be prevented, thereby improving the structural safety of the battery module 100.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a battery cell group 200 included in the battery module 100 of FIG. 3.
  • FIG. 7 is a perspective view showing only the battery cells 110 and the compression pad 220 after removing the wrapping member 210 from the battery cell group 200 of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a plan view showing one of the battery cells 110 shown in FIG. 7.
  • the battery cell group 200 includes at least one battery cell 110. That is, one battery cell 110 can form one battery cell group 200, and a plurality of battery cells 110 can form one battery cell group 200.
  • 6 and 7 show, for example, two battery cells 110 gathered together to form one battery cell group 200.
  • the battery cell group 200 in the present invention may be a unit that distinguishes a collection of battery cells 110 disposed between cooling tubes 310. At least one battery cell 110 forms a battery cell group 200, and these battery cell groups 200 are stacked along one direction to form a battery cell stack.
  • the battery cell 110 may be a pouch-type battery cell.
  • a pouch-type battery cell can be formed by storing an electrode assembly in a pouch case, which is a laminated sheet containing a resin layer and a metal layer, and then bonding the outer periphery of the pouch case.
  • the battery cell 110 may have a rectangular sheet shape.
  • the battery cell 110 according to this embodiment has two electrode leads 111 and 112 facing each other and protruding from one end 114a and the other end 114b of the battery body 113, respectively. It has a structure.
  • the battery cell 110 is manufactured by storing the electrode assembly (not shown) in the battery case 114 and adhering both ends 114a and 114b of the battery case 114 and one side 114c connecting them. It can be.
  • the battery cell 110 according to an embodiment of the present invention has a total of three sealing parts, and the sealing parts are structured to be sealed by a method such as fusion, and the other side 114d is the battery case 114. may be composed of a folded portion.
  • These battery cells 110 form a battery cell group 200, and the battery cell groups 200 are stacked in one direction while standing upright to form a battery cell stack.
  • the direction in which the battery cells 110 are stacked is perpendicular to one surface of the battery body 113, and in this specification, corresponds to a direction parallel to the y-axis direction. Accordingly, the directions in which the electrode leads 111 and 112 protrude from the battery cells 110 correspond to the x-axis direction and -x-axis direction, which are directions perpendicular to the direction in which the battery cell groups 200 are stacked.
  • the manifold 320 of the heat sink 300 is positioned in the x-axis direction and -x-axis direction, which are directions in which the electrode leads 111 and 112 protrude, respectively, with respect to the battery cell 110 They can be positioned one by one.
  • the battery cell group 200 may have at least one battery cell 110 wrapped in a wrapping member 210.
  • Figure 7 shows two battery cells 110 included in the battery cell group 200, and these battery cells 110 are wrapped together with a wrapping member 210 to form a battery as shown in Figure 6.
  • a cell group 200 may be formed.
  • the wrapping member 210 may have electrical insulation properties.
  • the wrapping member 210 may be an insulating tape with electrical insulation properties.
  • two or more battery cells 110 within the battery cell group 200 may be wrapped in a wrapping member 210, and a compression pad 220 is provided at least one of the two or more battery cells 110. may be involved.
  • the compression pad 220 is compressed and can absorb the expansion of the battery cell 110.
  • the material of the compression pad 220 may include polyurethane (PU) material.
  • the battery cell group 200 corresponds to a unit that distinguishes a collection of battery cells 110 disposed between the cooling tubes 310 of the heat sink 300. .
  • the battery cells 110 are wrapped around the wrapping member 210 to form the battery cell group 200, making assembly into a battery module easier. and structural stability increases after assembly.
  • the wrapping member 210 has electrical insulation properties, it can prevent the battery cells 110 from being short-circuited by contact with leaked refrigerant.
  • adhesive may be applied to some areas of the outer portion of the wrapping member 210 corresponding to one side of the battery cell group 200.
  • an adhesive is applied to at least a partial area of the one surface of the battery cell group 200, thereby cooling the one surface of the battery cell group 200.
  • Tube 310 may be glued. This can improve ease of assembly and structural stability.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the heat sink 300 included in the battery module 100 of FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 10 is a plan view showing the heat sink 300 of FIG. 9 as seen along the -z axis direction on the xy plane.
  • Figure 11 is a partial cross-sectional view showing a portion of a cross-section taken along the cutting line B-B' of Figure 3.
  • the heat sink 300 includes cooling tubes 310 interposed between battery cell groups 200 and a manifold 320 connecting the cooling tubes 310.
  • the manifold 320 is located in the direction in which the electrode leads 111 and 112 protrude relative to the battery cell 110, runs along the direction in which the battery cell groups 200 are stacked, and connects the cooling tubes 310.
  • a flow path is formed inside the cooling tube 310 and the manifold 320, so that the refrigerant flows along the inside of the cooling tube 310 and the manifold 320.
  • the cooling tubes 310 and the manifold 320 may be in the form of a tube containing a metal material with excellent thermal conductivity to increase cooling performance.
  • the cooling tube 310 interposed between the battery cell groups 200 contacts one surface of the battery cell group 200.
  • the cooling tube 310 may be in the form of a rectangular sheet and may be positioned between the battery cell groups 200 while standing upright.
  • the cooling tube 310 covers the entire surface of the battery cell group 200 and may contact the surface of the battery cell group 200.
  • the wrapping member 210 surrounding the battery cells 110 at the outermost side of the battery cell group 200 may contact the sheet-shaped cooling tube 310.
  • an adhesive may be applied to at least a partial area of the one surface of the battery cell group 200, so that the one surface of the battery cell group 200 and the cooling tube 310 may be adhered. As shown in FIG. 11, refrigerant flows in the internal space S of the cooling tube 310 and cools the battery cell groups 200 around it.
  • the manifold 320 is connected to each of the cooling tubes 310, and the internal space of the manifold 320 and the internal space S of the cooling tube 310 communicate with each other to circulate the refrigerant.
  • the manifold 320 may have a cylindrical shape.
  • the manifold 320 is shown as being connected to the lower ends of the cooling tubes 310, there are no particular restrictions on the upper and lower positions of the manifold 320, and it can also be located at the upper ends of the cooling tubes 310.
  • the manifold 320 may include a first manifold 321 located on one side of the cooling tubes 310 and a second manifold 322 located on the other side of the cooling tubes 310. You can. In the electrode leads 111 and 112 protruding in opposite directions from the battery cell 110, the first manifold 321 is located in the direction in which one electrode lead 111 protrudes, and the second manifold ( 322) may be located in the direction in which the other electrode lead 112 protrudes. In other words, the first manifold 321 and the second manifold 322 may be located on opposite sides of each other based on the cooling tubes 310.
  • a circulation structure of the refrigerant may be formed in the first manifold 321, the cooling tubes 310, and the second manifold 322.
  • an inlet 330 through which the refrigerant flows may be connected to the first part 321a of the first manifold 321, and the refrigerant may be connected to the second part 321b of the first manifold 321.
  • the discharge part 340 through which the gas is discharged may be connected, and the first part 321a and the second part 321b may be separated by a separation member 321c.
  • the first part 321a and the second part 321b are blocked by a separation member 321c, so that the connection between the inner space of the first part 321a and the inner space of the second part 321b can be blocked.
  • the refrigerant flowing into the inlet 330 is connected to the first part 321a, the cooling tubes 310 connected to the first part 321a, the second manifold 322, and the second part 321b. It may sequentially flow inside each of the cooling tubes 310 and the second part 321b, and may finally be discharged through the discharge unit 340 connected to the second part 321b.
  • the inlet 330 and the outlet 340 are connected to a refrigerant circulation device (not shown) including a pump, and the refrigerant flows through the above-described circulation structure.
  • the inlet 330 and the outlet 340 are located in the same direction, so the battery A refrigerant circulation device, including a pump, needs to be provided on only one side of the pack. Accordingly, the space inside the battery pack can be efficiently configured, and there is an advantage that there is no need for a complicated design of the refrigerant circulation device.
  • busbar assembly 400 according to this embodiment will be described in detail.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the insulating frame 430 included in the battery module 100 of FIG. 3.
  • the battery module 100 may include a bus bar assembly 400, and the bus bar assembly 400 includes a battery cell 110. It may include a bus bar 410 connected to the electrode leads 111 and 112 and an insulating frame 430 located in a direction in which the electrode leads 111 and 112 protrude with respect to the battery cell 110.
  • the insulating frame 430 may be located on the same side as the manifold 320 of the heat sink 300. That is, the insulating frame 430 may be composed of a plurality and may be located on one side and the other side of the battery cell groups 200, respectively.
  • the bus bar 410 preferably includes a metal material capable of electrical connection.
  • the insulating frame 430 preferably includes an electrically insulating material to prevent short circuiting by contacting the battery cell 110, etc.
  • the insulating frame 430 may be an injection-molded plastic product.
  • the bus bar 410 may be mounted on a side of the insulating frame 430 opposite to the side facing the battery cell groups 200.
  • the electrode leads 111 and 112 protruding from the battery cells 110 may pass through the lead slit 430S formed in the insulating frame 430 and then be bent to connect to the bus bar 410. More specifically, one electrode lead 111 may be connected to the bus bar 410 after passing through the lead slit 430S of the insulating frame 430 located on one side of the battery cell groups 200, and the other electrode lead 111 may be connected to the bus bar 410.
  • the electrode lead 112 may pass through the lead slit 430S of the insulating frame 430 located on the other side of the battery cell groups 200 and then be connected to the bus bar 410.
  • There is no particular limitation on the connection method between the electrode leads 111 and 112 and the bus bar 410 but for example, welding may be performed.
  • the battery cells 110 may be electrically connected to each other in series or parallel.
  • a refrigerant hole 430RH may be provided in the insulating frame 430 so that the inlet 330 and outlet 340 of the heat sink 300 can pass through.
  • the insulating frame 430 may be equipped with a terminal bus bar for connecting external power of the battery module 100 and a module connector for transmitting voltage and temperature sensing information.
  • Figure 13 is a partial cross-sectional view showing a portion of the cross-section taken along the cutting line C-C' of Figure 3.
  • the bus bar 410 and the manifold 320 of the heat sink 300 may contact each other through the insulating member 420 located between them.
  • the insulating member 420 may be attached to the surface of a part of the bus bar 410 other than the part where the electrode leads 111 and 112 are connected, and the insulating member 420 may be attached to the bus bar 410. It may be in contact with the manifold 320 of the heat sink 300 through the exposed surface.
  • One surface of the insulating member 420 may contact the bus bar 410, and the other surface of the insulating member 420 may contact the manifold 320.
  • an opening hole 430H may be formed in the insulating frame 430, and the bus bars 410 may be exposed toward the manifold 320 of the heat sink 300 through the opening hole 430H, The bar 410 and the manifold 320 may be in contact with each other via the insulating member 420.
  • the bus bar 410 is placed in the battery cell groups 200 of the insulating frame 430. It was mounted on the opposite side of the side facing the.
  • an opening hole 430H is formed in the insulating frame 430 so that the bus bar 410 passes through this opening hole 430H and is connected to the manifold ( 320) was extended close to it.
  • the battery module 100 has a direct cooling structure for the bus bar 410, which generates a lot of heat, by directly contacting the bus bar 410 with the manifold 320 of the heat sink 300 through which the refrigerant flows. was implemented. Since a direct cooling structure for the bus bar 410 is possible, it helps improve the overall cooling performance of the battery module, and heat generated in the electrode leads 111 and 112 directly connected to the bus bar 410 can also be easily discharged. .
  • the insulating member 420 may be an insulating tape that has electrical insulation and adhesive properties.
  • the cooling tubes 310 and manifolds 320 included in the heat sink 300 may include a metal material.
  • the bus bar 410 contacts the manifold 320 a short circuit may occur, so it is preferable to contact the bus bar 410 with an insulating member 420 having electrical insulation and adhesive properties therebetween.
  • the manifold 320 includes an electrically insulating material rather than a metal material, the bus bar 410 directly contacts the manifold 320 without the insulating member 420. can do.
  • Figure 14 is a perspective view showing an insulating frame 430' and a bus bar 410 according to another embodiment of the present invention.
  • a bus bar 410 may be mounted on an insulating frame 430' according to another embodiment of the present invention.
  • the electrode lead may be bent after passing through the lead slit (430S) formed in the insulating frame (430') and connected to the bus bar (410).
  • 430S lead slit
  • Detailed explanations are omitted as they are duplicates of what was explained above.
  • the bus bar 410 may extend beyond one side of the insulating frame 430' and be exposed toward the manifold of the heat sink. As shown in FIG. 14, the bus bar 410 may extend further downward than the insulating frame 430'. Unlike the insulating frame 430 with the opening hole 430H shown in FIGS. 12 and 13, the insulating frame 430' in this embodiment has a height such that the bus bar 410 is exposed toward the manifold. It can be shortened.
  • Figure 15 is a plan view showing the heat sink 300' according to another embodiment of the present invention as seen along the -z axis direction on the xy plane.
  • a heat sink 300' includes cooling tubes 310 and a manifold 320 connecting the cooling tubes 310. Additionally, the manifold 320 may include a first manifold 321 located on one side of the cooling tubes 310 and a second manifold 322 located on the other side of the cooling tubes 310.
  • a circulation structure of the refrigerant may be formed in the first manifold 321, the cooling tubes 310, and the second manifold 322. Specifically, an inlet 330 through which the refrigerant flows may be connected to the first manifold 321, and an outlet 340 through which the refrigerant is discharged may be connected to the second manifold 322.
  • the refrigerant flowing into the inlet 330 may sequentially flow inside each of the first manifold 321, the cooling tubes 310, and the second manifold 322, and finally the second manifold. It can be discharged through the discharge part 340 connected to (322).
  • the inlet 330 and the outlet 340 are connected to a refrigerant circulation device (not shown) including a pump, and the refrigerant flows through the above-described circulation structure.
  • the refrigerant inside the cooling tubes 310 flows in only one direction, and the path is shortened, so the refrigerant can circulate even with a relatively low pump pressure. It has the advantage of being able to Additionally, since the refrigerant flows in only one direction, there is an advantage that an even cooling effect can be achieved for each battery cell 110.
  • Figures 16 and 17 are a front view and a top view, respectively, of a battery pack according to an embodiment of the present invention. Specifically, in the battery pack 1000 containing two battery modules 100 of FIG. 3, the view along the -x axis direction in the yz plane is shown in FIG. 16, and the -z axis direction in the xy plane is shown in FIG. The view along the line is shown in Figure 17.
  • the battery pack 1000 includes a battery module 100, a pack frame 1100 in which the battery module 100 is stored, and a pack frame. It includes vertical beams 1200 disposed on the bottom 1100F of the pack frame 1100 so as to be perpendicular to one side of the bottom 1100F of the pack frame 1100.
  • the battery module 100 is disposed between the vertical beams 1200. There is no particular limitation on the number of battery modules 100 provided in the battery pack 1000, and one or more battery modules 100 may be disposed.
  • an adhesive member 1400 may be positioned between the battery module 100 and the bottom portion 1100F of the pack frame 1100.
  • the battery module 100 may be fixed to the bottom 1100F of the pack frame 1100 through an adhesive member 1400 having adhesive properties.
  • the battery cells 110 are not stored in a specific frame, but the battery cell groups 200 and the heat sink 300 are directly fixed to the adhesive member 1400. It may be mounted on the pack frame 1100.
  • the battery pack 1000 is located at the top of the battery module 100, continues along the direction in which the battery cell groups 200 are stacked, and further includes an upper bracket 1300 fastened to the vertical beam 1200. can do.
  • the upper bracket 1300 may be assembled to the vertical beam 1200, and there is no particular limitation on the assembly method between the upper bracket 1300 and the vertical beam 1200, and adhesive, welding, or bolting assembly may be applied.
  • the battery module 100 may be mounted and fixed on the pack frame 1100 through the vertical beam 1200 and the upper bracket 1300.
  • the battery module 100 is not stored in a separate frame and fixed to the pack frame as a frame, but is formed by the adhesive member 1400 on the bottom 1100F, the vertical beam 1200, and the upper part. It is fixed by a bracket 1300, etc. Since it is not stored in a separate frame, a simplified structure can be implemented by reducing the weight and volume of the frame, which is effective in improving space utilization and increasing battery capacity.
  • the battery module 100 since it is not stored in a frame, the battery module 100 does not have sufficient structural rigidity to prevent swelling of the battery cells 110. Accordingly, in this embodiment, the side of the battery module 100 is designed to be in close contact with the vertical beams 1200, so that the vertical beams 1200 can supplement the structural rigidity against swelling of the battery cell 110.
  • a pad 1500 for tolerance compensation may be disposed at least one of between the battery module 100 and the vertical beam 1200 or between the battery module 100 and the upper bracket 1300.
  • Figure 18 is a perspective view showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 1000 includes a battery module 100, a pack frame 1100 in which the battery module 100 is stored, and a bottom portion of the pack frame 1100.
  • (1100F) includes vertical beams 1200 disposed on the bottom 1100F of the pack frame 1100 perpendicular to one surface, and the battery module 100 is disposed between the vertical beams 1200.
  • the battery module 100 may further include a module frame 500 that accommodates battery cell groups 200 and a heat sink 300.
  • the module frame 500 includes a bottom surface and side surfaces 510 extending upward from both sides facing the bottom surface, and may have an open top.
  • a module mounting portion 500M may be formed on the side 510 of the module frame 500, protruding in a direction perpendicular to the side 510, and the module mounting portion 500M may be fastened to the vertical beam 1200. You can. For example, a through hole may be formed in the module mounting portion 500M. After the bolt member passes through this through hole, bolting assembly can be performed in which the bolt member is fastened to the vertical beam 1200.
  • the side of the battery module 100 is brought into close contact with the vertical beams 1200, and the module mounting portion 500M of the module frame 500 is fastened to the vertical beam 1200.
  • the structural rigidity against swelling of the battery cell 110 is complemented and the battery module 100 is designed to be firmly fixed to the pack frame 1100.
  • One or more battery modules according to this embodiment described above may be mounted together with various control and protection systems such as a Battery Management System (BMS), Battery Disconnect Unit (BDU), and a cooling system to form a battery pack.
  • BMS Battery Management System
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • the battery module or battery pack can be applied to various devices. Specifically, it can be applied to transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrids, or ESS (Energy Storage System), but is not limited to this and can be applied to various devices that can use secondary batteries.
  • transportation means such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrids, or ESS (Energy Storage System), but is not limited to this and can be applied to various devices that can use secondary batteries.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀을 포함하고 일 방향을 따라 적층되는 복수의 전지셀 그룹들; 및 상기 전지셀 그룹들을 냉각하는 히트 싱크;를 포함한다. 상기 전지셀은 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함한다. 상기 히트 싱크는, 상기 전지셀 그룹들 사이에 개재되는 냉각 튜브들 및 상기 전지셀을 기준으로 상기 전극 리드들이 돌출되는 방향에 위치하고 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향을 따라 이어지며 상기 냉각 튜브들을 연결하는 매니폴드를 포함한다. 상기 냉각 튜브와 상기 매니폴드의 내부에 유로가 형성되어, 냉매가 상기 냉각 튜브와 상기 매니폴드의 내부를 따라 흐르며, 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹의 일면에 접촉한다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 8월 24일자 한국 특허 출원 제10-2022-0106189호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 직접 냉각이 가능하여 냉각 성능이 향상된 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 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.
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 BDU(Battery Disconnect Unit), BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 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 전지셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지셀이 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 전지팩에 포함되는 전지 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓일 수 있다. 따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 전지 모듈이나 전지팩의 냉각 방법은 크게 냉각수 등의 냉매를 활용한 수냉식 방법과 냉각풍을 활용한 공랭식 방법으로 구분될 수 있다. 그 중 수냉식 냉각은, 냉각 성능이 우수해 대용량의 전지 모듈이나 전지팩에서 발생하는 높은 열을 효과적으로 냉각할 수 있다.
도 1은 종래의 전지 모듈에 대한 사시도이고, 도 2는 도 1의 절단선 A-A’를 따라 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 다만, 도 2에는 설명의 편의를 위해 전지 모듈(10)의 아래에 배치되는 히트 싱크(30)를 추가로 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 종래의 전지 모듈(10)은 복수의 전지셀(11)이 적층된 전지셀 적층체(12)와 전지셀 적층체(12)를 수납하는 모듈 프레임(20)을 포함한다. 이때 전지셀(11)은 파우치형 전지셀이고, 파우치형 전지셀은 장방형의 시트 구조를 이룬다.
다수의 전지셀(11)이 적층되기 때문에 전지 모듈(10)은 충, 방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 파우치형 전지셀을 포함하는 전지 모듈(10)은, 전지셀(11)의 엣지를 고정된 위치와 크기를 가진 히트 싱크(60)에 간접 또는 직접 접촉시켜, 냉각을 실시하였다.
구체적으로, 전지 모듈(10)은 전지셀 적층체(12)와 모듈 프레임(20)의 바닥부 사이에 위치한 써멀 레진층(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(30)가 차례로 위치할 수 있다. 열전달 부재(50)는 방열 패드일 수 있으며, 히트 싱크(30)는 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐르는 냉각 유로(31)가 형성될 수 있다. 일 방향을 따라 적층된 전지셀(11)들의 엣지가 써멀 레진층(40)과 접촉하고, 전지셀(11)로부터 발생한 열은, 써멀 레진층(40), 모듈 프레임(20)의 바닥부, 열전달 부재(50) 및 히트 싱크(30)를 차례로 거쳐 전지 모듈(10)의 외부로 배출될 수 있다. 즉, 종래의 전지 모듈(10)에는, 전지셀(11)의 엣지 부분을 통해 열을 배출하는 수냉식 구조를 적용하였다.
이처럼 전지셀(11)의 엣지 부분을 활용한 수냉식 구조는, 상대적으로 간소화된 구조를 갖지만 냉각 성능이 떨어진다. 또한, 전지셀(11)의 높은 스웰링 발생 시 전지셀(11)의 파우치 케이스 등에 크랙이 발생할 위험이 있다. 구체적으로 설명하면, 전지셀(110)들은 충, 방전이 반복되는 과정이나 초기 충전 과정에서 그 내부 전해질이 분해되고 가스가 발생하여 전지셀(110)이 부풀어 오르는 현상, 즉 스웰링(Swelling) 또는 브리딩(Breathing) 현상이 발생할 수 있다.
전지셀의 용량이 증가함에 따라 스웰링의 정도도 크게 증가하였고, 전지 모듈에 적용되는 전지셀의 수량도 점차 증가하는 추세이기 때문에 전지 모듈 내부의 전지셀의 스웰링을 제어하는 것이 중요한 문제가 되었다.
이 때, 도 2를 다시 참고하면, 일반적으로 써멀 레진층(40)은 접착 특성을 가지고 있어 전지셀(11)들이 이에 고정되기 때문에 y축과 평행한 방향으로의 전지셀(11)의 스웰링이 발생하면, 전지셀(11)의 엣지에 높은 스트레스가 발생하고, 이는 전지셀(11)의 파우치 케이스의 크랙이 발생하는 것으로 이어질 수 있다. 특히 전지셀 적층체(12)에서 바깥쪽에 위치한 전지셀(11)들일수록 스웰링에 의한 스트레스가 크게 작용하여 크랙이 발생할 위험이 크다.
향후, 고용량 전지 모듈과 전지팩을 구현하기 위해 파우치 전지셀로, Pure Si 셀, 전고체 전지, SiO 고함량 셀들을 적용할 수 있다. 이러한 전지셀들의 경우, 스웰링의 정도가 더 크다.
이와 같이 높은 스웰링 정도를 갖는 전지셀들을 포함한 전지 모듈에 종래와 같은 엣지 부분을 활용한 수냉식 방법을 적용할 경우, 전지셀에 크랙이 발생할 위험이 크고, 또 과도한 응력이 작용하여 전지 모듈의 구조적 안전성을 저해할 수 있다.
이에 높은 스웰링 특성을 보이는 전지셀들을 포함하더라도, 전지셀에 발생하는 구조적 손상을 최소화할 수 있는, 신규한 냉각 구조의 전지 모듈이 요구되는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀과 전지셀의 전극 리드를 연결하는 버스바 각각에 대한 직접 냉각이 가능한 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 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 전지 모듈은 적어도 하나의 전지셀을 포함하고 일 방향을 따라 적층되는 복수의 전지셀 그룹들; 및 상기 전지셀 그룹들을 냉각하는 히트 싱크;를 포함한다. 상기 전지셀은 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함한다. 상기 히트 싱크는, 상기 전지셀 그룹들 사이에 개재되는 냉각 튜브들 및 상기 전지셀을 기준으로 상기 전극 리드들이 돌출되는 방향에 위치하고 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향을 따라 이어지며 상기 냉각 튜브들을 연결하는 매니폴드를 포함한다. 상기 냉각 튜브와 상기 매니폴드의 내부에 유로가 형성되어, 냉매가 상기 냉각 튜브와 상기 매니폴드의 내부를 따라 흐르며, 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹의 일면에 접촉한다.
상기 전지 모듈은, 상기 전극 리드와 연결되는 버스바를 더 포함할 수 있고, 상기 버스바와 상기 매니폴드 사이에 절연 부재가 위치할 수 있다. 상기 절연 부재의 일면은 상기 버스바와 접촉할 수 있고, 상기 절연 부재의 타면은 매니폴드와 접촉할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀을 기준으로 상기 전극 리드가 돌출되는 방향에 위치한 절연 프레임을 더 포함할 수 있고, 상기 버스바는 상기 절연 프레임에 장착될 수 있다.
상기 버스바는, 상기 절연 프레임 중 상기 전지셀 그룹들과 마주하는 면의 반대면에 장착될 수 있고, 상기 전극 리드는, 상기 절연 프레임에 형성된 리드 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 상기 버스바에 연결될 수 있다.
상기 절연 프레임에 개구홀이 형성될 수 있고, 상기 버스바는 상기 개구홀을 통해 상기 매니폴드를 향해 노출될 수 있다.
상기 버스바는 상기 절연 프레임의 일 측변보다 연장되어 상기 매니폴드를 향해 노출될 수 있다.
상기 절연 부재는 전기적 절연성과 접착성을 갖는 절연 테이프일 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 전극 리드와 연결되는 버스바를 더 포함할 수 있고, 상기 버스바와 상기 매니폴드가 직접 접촉할 수 있다.
상기 냉각 튜브는 장방형의 시트 형태일 수 있고, 상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹의 상기 일면 전체를 커버하며 상기 전지셀 그룹의 상기 일면에 접촉할 수 있다.
상기 매니폴드는 원통 형태일 수 있다.
상기 전지셀 그룹은, 적어도 하나의 상기 전지셀이 랩핑 부재에 감싸진 형태일 수 있다.
상기 랩핑 부재는 전기적 절연성을 가질 수 있다.
상기 전지셀 그룹은 둘 이상의 상기 전지셀들이 랩핑 부재에 감싸진 형태일 수 있고, 둘 이상의 상기 전지셀들 사이 중 적어도 한 곳에 압축 패드가 개재될 수 있다.
상기 매니폴드는 상기 냉각 튜브들의 일 측에 위치한 제1 매니폴드 및 상기 냉각 튜브들의 타 측에 위치한 제2 매니폴드를 포함할 수 있다. 상기 제1 매니폴드, 상기 냉각 튜브들 및 상기 제2 매니폴드에서 상기 냉매의 순환 구조가 형성될 수 있다.
상기 제1 매니폴드의 제1 부분에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 연결될 수 있고, 상기 제1 매니폴드의 제2 부분에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 연결될 수 있으며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 분리 부재로 구분될 수 있다. 상기 냉매는, 상기 제1 부분, 상기 제1 부분에 연결된 상기 냉각 튜브들, 상기 제2 매니폴드, 상기 제2 부분에 연결된 상기 냉각 튜브들 및 상기 제2 부분 각각의 내부를 차례로 흐를 수 있다.
상기 제1 매니폴드에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 연결될 수 있고, 상기 제2 매니폴드에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 연결될 수 있다. 상기 냉매는, 상기 제1 매니폴드, 상기 냉각 튜브들 및 상기 제2 매니폴드 각각의 내부를 차례로 흐를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 상기 전지 모듈; 상기 전지 모듈이 수납되는 팩 프레임; 및 상기 팩 프레임의 바닥부 일면과 수직하도록, 상기 팩 프레임의 상기 바닥부 상에 배치되는 수직 빔들;을 포함한다. 상기 전지 모듈은, 상기 수직 빔들 사이에 배치된다.
상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 상기 바닥부 사이에 접착 부재가 위치할 수 있다.
상기 전지 모듈의 상부에 위치하고, 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향을 따라 이어지며, 상기 수직 빔에 체결되는 상부 브라켓을 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 그룹들 및 상기 히트 싱크를 수납하는 모듈 프레임을 더 포함할 수 있다. 상기 모듈 프레임에는 돌출된 모듈 마운팅부가 형성될 수 있고, 상기 모듈 마운팅부가 상기 수직 빔에 체결될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 히트 싱크가 전지셀 사이에 위치한 냉각 튜브를 포함하여, 기존의 엣지 냉각 구조가 아닌, 전지셀에 대한 면 냉각이 가능하기 때문에 전지 모듈이 증대된 냉각 성능을 갖는다.
또한, 전지셀의 전극 리드 부분은 전지셀 중에서도 발열이 심한 부분인데, 전지셀의 전극 리드를 연결하는 버스바가 절연 부재를 매개로 히트 싱크과 접촉하도록 구성함으로써, 전지 모듈의 냉각 성능을 더욱 높일 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 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에서 버스바 어셈블리를 분리하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 전지 모듈에서 버스바 어셈블리를 제거하고, 전지셀 그룹과 히트 싱크만을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 3의 전지 모듈에 포함된 전지셀 그룹을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 전지셀 그룹에서 랩핑 부재를 제거하고, 전지셀들과 압축 패드만을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 전지셀들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 9는 도 3 및 도 4의 전지 모듈에 포함된 히트 싱크를 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 9의 히트 싱크를 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 나타낸 평면도이다.
도 11은 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 12는 도 3의 전지 모듈에 포함된 절연 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 3의 절단선 C-C’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절연 프레임과 버스바를 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 히트 싱크를 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 나타낸 평면도이다.
도 16과 도 17은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 정면도와 평면도이다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)을 나타낸 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈(100)에서 버스바 어셈블리(400)를 분리하여 나타낸 분해 사시도이다. 도 5는 도 3의 전지 모듈(100)에서 버스바 어셈블리(400)를 제거하고, 전지셀 그룹(200)과 히트 싱크(300)만을 나타낸 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 일 방향을 따라 적층되는 복수의 전지셀 그룹(200)들; 및 이러한 전지셀 그룹(200)들을 냉각하는 히트 싱크(300);를 포함한다.
전지셀 그룹(200)은 적어도 하나의 전지셀을 포함하고, 전지셀은 전지셀 그룹(200)들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들을 포함한다. 도 3 내지 도 5에는 전지셀 그룹(200)들이 y축과 평행한 방향을 따라 적층되고, 전지셀의 전극 리드(111, 112)들은 x축 방향 및 -x축 방향의 양 방향으로 각각 돌출되는 것이 도시되어 있다. 전지셀 그룹(200)에 대해서는 아래에서 도 6 내지 도 8과 함께 보다 자세하게 설명한다.
히트 싱크(300)는, 전지셀 그룹(200)들 사이에 개재되는 냉각 튜브(310)들 및 매니폴드(320, manifold)를 포함한다. 매니폴드(320)는, 전지셀을 기준으로 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 방향에 위치하고 전지셀 그룹(200)들이 적층되는 방향을 따라 이어지며 냉각 튜브(310)들을 연결한다. 냉각 튜브(310)와 매니폴드(320)의 내부에 유로가 형성되어, 냉매가 냉각 튜브(310)와 매니폴드(320)의 내부를 따라 흐른다. 상기 냉매는 일례로 냉각수일 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 수냉식 냉각 구조를 가질 수 있다.
또한, 전지셀 그룹(200)들 사이에 개재된 냉각 튜브(310)는 전지셀 그룹(200)의 일면에 접촉한다. 냉각 튜브(310)는 장방형의 시트 형태일 수 있고, 이러한 냉각 튜브(310)가 전지셀 그룹(200)의 상기 일면 전체를 커버하며 전지셀 그룹(200)의 상기 일면에 접촉할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 도 1 및 도 2에서 설명한 엣지 냉각 구조의 종래 전지 모듈(10)과 다르게, 냉매가 내부에 흐르는 냉각 튜브(310)가 전지셀 그룹(200)의 일면에 직접 접촉하는 면 냉각 구조를 갖는다. 면 냉각 구조의 경우, 냉각이 이루어지는 면이 상대적으로 훨씬 넓기 때문에 냉각 성능이 크게 증대된다. 또한, 엣지 냉각 구조의 종래 전지 모듈(10)과 다르게, 전지셀들이 써멀 레진층(40)에 접착 및 고정되는 것이 아니기 때문에 전지셀들에 스웰링이 발생하더라도 전지셀들의 엣지 부분에 높은 스트레스가 발생하지 않는다. 즉, 전지셀의 파우치 케이스의 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 전지 모듈(100)의 구조적 안전성을 높일 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참고하여 본 실시예에 따른 전지셀 그룹(200)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 도 3의 전지 모듈(100)에 포함된 전지셀 그룹(200)을 나타낸 사시도이다. 도 7은 도 6의 전지셀 그룹(200)에서 랩핑 부재(210)를 제거하고, 전지셀(110)들과 압축 패드(220)만을 나타낸 사시도이다. 도 8은 도 7에 도시된 전지셀(110)들 중 하나를 나타낸 평면도이다.
도 6 내지 도 8을 도 5와 함께 참고하면, 전지셀 그룹(200)은, 적어도 하나의 전지셀(110)을 포함한다. 즉, 하나의 전지셀(110)이 하나의 전지셀 그룹(200)을 이룰 수 있고, 또 복수의 전지셀(110)들이 하나의 전지셀 그룹(200)을 이룰 수 있다. 도 6 및 도 7에는 일례로 2개의 전지셀(110)들이 모여 하나의 전지셀 그룹(200)을 구성하는 것이 도시되어 있다.
본 발명에서의 전지셀 그룹(200)은, 냉각 튜브(310)들 사이에 배치되는 전지셀(110)들의 집합체를 구분하는 단위일 수 있다. 적어도 하나의 전지셀(110)이 전지셀 그룹(200)을 형성하고, 이러한 전지셀 그룹(200)들이 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체를 형성한다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트인 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 접착하여 형성될 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 전지셀(110)은 장방형 시트 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 전지 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 전지셀(110)은, 전지 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지셀(110)은 총 3군데의 실링부를 갖고, 실링부는 융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부(114d)는 전지 케이스(114)가 접힌 부분으로 이루어질 수 있다.
이러한 전지셀(110)들이 전지셀 그룹(200)을 이루고, 전지셀 그룹(200)들이 직립한 채 일 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체를 형성한다. 적층되는 상기 일 방향은, 전지셀(110)들의 전지 본체(113)의 일면과 수직한 방향으로써, 본 명세서에서는 y축 방향과 평행한 방향에 해당한다. 이에 따라 전극 리드(111, 112)들이 전지셀(110)로부터 돌출되는 방향은 전지셀 그룹(200)들이 적층되는 방향과 수직한 방향인 x축 방향과 -x축 방향에 해당한다. 또한, 상술한 것처럼, 히트 싱크(300)의 매니폴드(320)는, 전지셀(110)을 기준으로, 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 방향인 x축 방향과 -x축 방향에 각각 하나씩 위치할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전지셀 그룹(200)은, 적어도 하나의 전지셀(110)이 랩핑 부재(210)에 감싸진 형태일 수 있다. 일례로, 도 7에는 전지셀 그룹(200)에 포함되는 2개의 전지셀(110)들이 도시되어 있고, 이러한 전지셀(110)들을 함께 랩핑 부재(210)로 감아 도 6에 도시된 것과 같은 전지셀 그룹(200)을 형성할 수 있다. 랩핑 부재(210)는 전기적 절연성을 가질 수 있다. 일례로, 랩핑 부재(210)는 전기적 절연성을 갖는 절연 테이프일 수 있다.
또한, 전지셀 그룹(200) 내에 둘 이상의 전지셀(110)들이 랩핑 부재(210)에 감싸진 형태일 수 있고, 둘 이상의 전지셀(110)들 사이 중 적어도 한 곳에는 압축 패드(220)가 개재될 수 있다. 전지셀(110)의 팽창 시 압축 패드(220)가 압축되면서, 전지셀(110)의 팽창을 흡수할 수 있다. 압축되어 팽창을 흡수할 수 있다면 압축 패드(220)의 소재에 특별한 제한은 없으나, 일례로, 폴리우레탄(PU) 소재를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)에서는, 전지셀 그룹(200)은, 히트 싱크(300)의 냉각 튜브(310)들 사이에 배치되는 전지셀(110)들의 집합체를 구분하는 단위에 해당한다. 전지셀(110)들을 냉각 튜브(310)들 사이에 배치할 때, 전지셀(110)들을 랩핑 부재(210)로 감아 전지셀 그룹(200)을 형성하였기 때문에, 전지 모듈로의 조립이 보다 용이해지고, 조립 이후에 구조적으로도 안정성이 높아 진다. 냉각 튜브(310)들 사이에 여러 전지셀(110)들 배치할 때, 랩핑 부재(210)로 감아 전지셀 그룹(200)을 형성하지 않는다면, 여러 전지셀(110)들이 제대로 고정되지 않기 때문에 전지 모듈로의 조립이 쉽지 않고 조립 이후에도 안정성이 저해된다. 또한, 랩핑 부재(210)는 전기적 절연성을 갖기 때문에 전지셀(110)들이 누설된 냉매와 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
나아가, 전지셀 그룹(200)의 일면에 해당하는 랩핑 부재(210)의 바깥쪽 부분 중 일부 영역에는 접착제가 도포될 수 있다. 전지셀 그룹(200)의 상기 일면이 냉각 튜브(310)에 접촉함에 있어, 전지셀 그룹(200)의 상기 일면의 적어도 일부 영역에 접착제가 도포되어, 전지셀 그룹(200)의 상기 일면과 냉각 튜브(310)가 접착될 수 있다. 이를 통해 조립 용이성과 구조적 안정성을 높일 수 있다.
이하에서는, 도 9 내지 도 11을 참고하여, 본 실시예에 따른 히트 싱크와 히트 싱크 내부의 냉매 순환 구조에 대해 자세히 설명한다.
도 9는 도 3 및 도 4의 전지 모듈(100)에 포함된 히트 싱크(300)를 나타낸 사시도이다. 도 10은 도 9의 히트 싱크(300)를 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 나타낸 평면도이다. 도 11은 도 3의 절단선 B-B’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다.
상술한 것처럼, 본 실시예에 따른 히트 싱크(300)는, 전지셀 그룹(200)들 사이에 개재되는 냉각 튜브(310)들 및 냉각 튜브(310)들을 연결하는 매니폴드(320)를 포함한다. 매니폴드(320)는, 전지셀(110)을 기준으로 전극 리드(111, 112)들이 돌출되는 방향에 위치하고 전지셀 그룹(200)들이 적층되는 방향을 따라 이어지며 냉각 튜브(310)들을 연결한다. 냉각 튜브(310)와 매니폴드(320)의 내부에 유로가 형성되어, 냉매가 냉각 튜브(310)와 매니폴드(320)의 내부를 따라 흐른다. 냉각 튜브(310)들 및 매니폴드(320)들은 냉각 성능을 높이기 위해 열전도도가 우수한 금속 소재를 포함하는 튜브 형태일 수 있다.
전지셀 그룹(200)들 사이에 개재된 냉각 튜브(310)는 전지셀 그룹(200)의 일면에 접촉한다. 냉각 튜브(310)는 장방형의 시트 형태일 수 있고, 직립한 채 전지셀 그룹(200)들 사이에 위치할 수 있다. 냉각 튜브(310)가 전지셀 그룹(200)의 상기 일면 전체를 커버하며 전지셀 그룹(200)의 상기 일면에 접촉할 수 있다. 전지셀 그룹(200)의 최외측에서 전지셀(110)들을 감싸는 랩핑 부재(210)가 시트 형태의 냉각 튜브(310)와 접촉할 수 있다.
또한, 상술한 것처럼, 전지셀 그룹(200)의 상기 일면의 적어도 일부 영역에 접착제가 도포되어, 전지셀 그룹(200)의 상기 일면과 냉각 튜브(310)가 접착될 수 있다. 도 11에 도시된 것처럼, 냉각 튜브(310)의 내부 공간(S)에서 냉매가 흐르며 그 주변의 전지셀 그룹(200)들을 냉각한다.
한편, 매니폴드(320)는 냉각 튜브(310)들 각각과 연결되며, 매니폴드(320)의 내부 공간과 냉각 튜브(310)의 내부 공간(S)이 서로 연통되어 냉매가 순환한다. 일례로, 매니폴드(320)는 원통 형태일 수 있다. 매니폴드(320)가 냉각 튜브(310)들의 하단부에서 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 매니폴드(320)의 상, 하 위치에 특별한 제한은 없고 냉각 튜브(310)들의 상단부에 위치하는 것도 가능하다.
본 실시예에 따른 매니폴드(320)는, 냉각 튜브(310)들의 일 측에 위치한 제1 매니폴드(321) 및 냉각 튜브(310)들의 타 측에 위치한 제2 매니폴드(322)를 포함할 수 있다. 전지셀(110)로부터 서로 반대 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)들에 있어, 제1 매니폴드(321)는 어느 한 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 위치하고, 제2 매니폴드(322)는 다른 전극 리드(112)가 돌출되는 방향에 위치할 수 있다. 바꾸어 말하면 제1 매니폴드(321)와 제2 매니폴드(322)는 냉각 튜브(310)들을 기준으로 서로 반대편에 위치할 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300)에서는, 제1 매니폴드(321), 냉각 튜브(310)들 및 제2 매니폴드(322)에서 상기 냉매의 순환 구조가 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 매니폴드(321)의 제1 부분(321a)에 상기 냉매가 유입되는 유입부(330)가 연결될 수 있고, 제1 매니폴드(321)의 제2 부분(321b)에 상기 냉매가 배출되는 배출부(340)가 연결될 수 있으며, 제1 부분(321a)과 제2 부분(321b)은 분리 부재(321c)로 구분될 수 있다. 제1 부분(321a)과 제2 부분(321b)은 분리 부재(321c)로 막혀 있어, 제1 부분(321a)의 내부 공간 및 제2 부분(321b)의 내부 공간 간의 연결은 차단될 수 있다.
유입부(330)로 유입된 상기 냉매는, 제1 부분(321a), 제1 부분(321a)에 연결된 냉각 튜브(310)들, 제2 매니폴드(322), 제2 부분(321b)에 연결된 냉각 튜브(310)들 및 제2 부분(321b) 각각의 내부를 차례로 흐를 수 있고, 최종적으로는 제2 부분(321b)에 연결된 배출부(340)를 통해 배출될 수 있다. 유입부(330)와 배출부(340)는 펌프 등을 포함한 냉매 순환 장치(미도시)와 연결되어 상기 냉매가 상기와 같은 순환 구조를 따라 흐른다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 경우, 전지 모듈(100)이 팩 프레임에 수납되어 전지팩을 형성할 때, 유입부(330)와 배출부(340)가 같은 방향에 위치하기 때문에 전지팩 내부에서 펌프 등을 포함한 냉매 순환 장치를 한 쪽에만 마련하면 된다. 이에 따라, 전지팩 내부의 공간을 효율적으로 구성할 수 있고, 냉매 순환 장치의 복잡하게 설계할 필요가 없다는 장점을 갖는다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 버스바 어셈블리(400)에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 12는 도 3의 전지 모듈(100)에 포함된 절연 프레임(430)을 나타낸 사시도이다.
도 3, 도 4 및 도 12를 함께 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바 어셈블리(400)를 포함할 수 있고, 버스바 어셈블리(400)는, 전지셀(110)의 전극 리드(111, 112)와 연결되는 버스바(410) 및 전지셀(110)을 기준으로 전극 리드(111, 112)가 돌출되는 방향에 위치한 절연 프레임(430)를 포함할 수 있다.
전지셀(110)이나 전지셀 그룹(200)을 기준으로 했을 때, 히트 싱크(300)의 매니폴드(320)와 같은 측에 절연 프레임(430)이 위치할 수 있다. 즉, 절연 프레임(430)은 복수로 구성되어 전지셀 그룹(200)들의 일측과 타측 각각에 위치할 수 있다.
버스바(410)는 전기적 연결이 가능한 금속 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 절연 프레임(430)은 전지셀(110) 등과 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지하기 위해 전기적 절연성인 소재를 포함하는 것이 바람직하다. 일례로, 절연 프레임(430)은 플라스틱 사출물일 수 있다.
버스바(410)는 절연 프레임(430) 중 전지셀 그룹(200)들과 마주하는 면의 반대면에 장착될 수 있다. 전지셀(110)들로부터 돌출된 전극 리드(111, 112)가 절연 프레임(430)에 형성된 리드 슬릿(430S)을 통과한 뒤 구부러져 버스바(410)와 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 어느 한 전극 리드(111)는 전지셀 그룹(200)들의 상기 일측에 위치하는 절연 프레임(430)의 리드 슬릿(430S)을 통과한 뒤 버스바(410)와 연결될 수 있고, 다른 전극 리드(112)는 전지셀 그룹(200)들의 상기 타측에 위치하는 절연 프레임(430)의 리드 슬릿(430S)을 통과한 뒤 버스바(410)와 연결될 수 있다. 전극 리드(111, 112)와 버스바(410) 간의 연결 방식에 특별한 제한은 없으나, 일례로 용접 접합이 이루어질 수 있다.
상기와 같은 방식으로, 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬로 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 절연 프레임(430)에는 히트 싱크(300)의 유입부(330)와 배출부(340)가 관통할 수 있도록 냉매홀(430RH)이 마련될 수 있다. 또한, 구체적으로 도시하지 않았으나, 절연 프레임(430)에는, 전지 모듈(100)의 외부 전력 연결을 위한 터미널 버스바나 전압과 온도의 센싱 정보 전달을 위한 모듈 커넥터가 장착될 수 있다.
한편, 도 13은 도 3의 절단선 C-C’를 따라 자른 단면의 일부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 3, 도 4, 도 12 및 도 13을 함께 참고하면, 버스바(410)와 히트 싱크(300)의 매니폴드(320)는, 그 사이에 위치한 절연 부재(420)를 통해 서로 접촉할 수 있다. 즉, 버스바(410) 중 전극 리드(111, 112)가 연결되는 부분이 아닌 다른 부분의 표면에 절연 부재(420)가 부착될 수 있고, 버스바(410)가 절연 부재(420)가 부착된 면을 통해 히트 싱크(300)의 매니폴드(320)와 접촉할 수 있다. 절연 부재(420)의 일면은 버스바(410)와 접촉하고, 절연 부재(420)의 타면은 매니폴드(320)와 접촉할 수 있다.
일례로, 절연 프레임(430)에는 개구홀(430H)이 형성될 수 있고, 버스바(410)들이 개구홀(430H)을 통해 히트 싱크(300)의 매니폴드(320)를 향해 노출되어, 버스바(410)와 매니폴드(320)가 절연 부재(420)를 매개로 서로 접촉될 수 있다. 버스바(410)가 전극 리드(111, 112) 부분을 제외한 전지셀(110)의 다른 부분과 접촉하는 것을 방지하기 위해 버스바(410)를 절연 프레임(430) 중 전지셀 그룹(200)들과 마주하는 면의 반대면에 장착하였다. 이 때, 버스바(410)에 대한 직접 냉각 구조를 형성하기 위해, 절연 프레임(430)에 개구홀(430H)을 형성하여 버스바(410)가 이러한 개구홀(430H)을 통과해 매니폴드(320)의 가까이 연장되도록 하였다.
전지셀(110)의 충, 방전이 반복되면 전지셀(110)에 열이 발생하는데, 이러한 열을 제어하는 것이 중요하다. 전지셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다. 특히, 전지셀(110) 중에서 전극 리드(111, 112) 및 전극 리드(111, 112)와 인접한 전지 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b, 도 8 참조)에 많은 열이 발생한다. 따라서, 전지 모듈(100) 내에서 전극 리드(111, 112)에 직접 접합된 부분인 버스바(410)에도 많은 열이 발생한다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 버스바(410)를 냉매가 흐르는 히트 싱크(300)의 매니폴드(320)에 직접 접촉시킴으로써, 발열이 심한 버스바(410)에 대한 직접적인 냉각 구조를 구현하였다. 버스바(410)에 대한 직접적인 냉각 구조가 가능하기 때문에 전지 모듈의 전체적인 냉각 성능 향상에 도움이 되고, 버스바(410)에 직접 접합된 전극 리드(111, 112)에 발생한 열도 쉽게 배출할 수 있다.
한편, 절연 부재(420)는 전기적 절연성과 접착성을 갖는 절연 테이프일 수 있다. 히트 싱크(300)의 열전도도를 높이기 위해 히트 싱크(300)에 포함된 냉각 튜브(310)들 및 매니폴드(320)들이 금속 소재를 포함할 수 있다. 버스바(410)가 이러한 매니폴드(320)에 맞닿을 경우, 쇼트가 발생할 수 있기 때문에 전기적 절연성과 접착성을 갖는 절연 부재(420)를 사이에 두고 접촉하는 것이 바람직하다.
만일, 본 발명의 다른 실시예로써, 매니폴드(320)가 금속 소재가 아닌 전기적 절연성의 소재를 포함할 경우, 버스바(410)가 절연 부재(420)없이 바로 매니폴드(320)에 직접 접촉할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절연 프레임(430’)과 버스바(410)를 나타낸 사시도이다.
도 14를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절연 프레임(430’)에 버스바(410)가 장착될 수 있다. 전극 리드가 절연 프레임(430’)에 형성된 리드 슬릿(430S)을 통과한 뒤 구부러져 버스바(410)와 연결될 수 있다. 구체적인 설명은 위에서 설명한 내용과 중복이므로 생략한다.
본 실시예에서, 버스바(410)는 절연 프레임(430’)의 일 측변보다 연장되어 히트 싱크의 매니폴드를 향해 노출될 수 있다. 도 14에 도시된 것처럼, 버스바(410)가 절연 프레임(430’)보다 하부 방향으로 더 연장될 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시된 개구홀(430H)이 형성된 절연 프레임(430)과 다르게, 본 실시예에서의 절연 프레임(430’)은 버스바(410)가 매니폴드를 향해 노출되도록, 높이가 단축될 수 있다.
한편, 도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 히트 싱크(300’)를 xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 나타낸 평면도이다.
도 15를 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 히트 싱크(300’)는, 냉각 튜브(310)들 및 냉각 튜브(310)들을 연결하는 매니폴드(320)를 포함한다. 또한, 매니폴드(320)는, 냉각 튜브(310)들의 일 측에 위치한 제1 매니폴드(321) 및 냉각 튜브(310)들의 타 측에 위치한 제2 매니폴드(322)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300’)에서는, 제1 매니폴드(321), 냉각 튜브(310)들 및 제2 매니폴드(322)에서 상기 냉매의 순환 구조가 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 매니폴드(321)에 상기 냉매가 유입되는 유입부(330)가 연결될 수 있고, 제2 매니폴드(322)에 상기 냉매가 배출되는 배출부(340)가 연결될 수 있다.
유입부(330)로 유입된 상기 냉매는, 제1 매니폴드(321), 냉각 튜브(310)들, 제2 매니폴드(322) 각각의 내부를 차례로 흐를 수 있고, 최종적으로는 제2 매니폴드(322)에 연결된 배출부(340)를 통해 배출될 수 있다. 유입부(330)와 배출부(340)는 펌프 등을 포함한 냉매 순환 장치(미도시)와 연결되어 상기 냉매가 상기와 같은 순환 구조를 따라 흐른다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300’)의 경우, 냉각 튜브(310)들 내부의 상기 냉매가 일 방향으로만 흐르고, 그 경로가 단축되기 때문에 상대적으로 적은 펌프의 압력으로도 상기 냉매가 순환할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 상기 냉매가 일 방향으로만 흐르기 때문에 각 전지셀(110)들에 대해 고른 냉각 효과가 구현될 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 16과 도 17은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 정면도와 평면도이다. 구체적으로, 도 3의 전지 모듈(100)이 2개 포함된 전지팩(1000)에 있어서, yz평면에서 -x축 방향을 따라 바라본 모습을 도 16에 도시하였고, xy평면에서 -z축 방향을 따라 바라본 모습을 도 17에 도시하였다.
도 3, 도 16 및 도 17을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)이 수납되는 팩 프레임(1100), 팩 프레임(1100)의 바닥부(1100F) 일면과 수직하도록 팩 프레임(1100)의 바닥부(1100F) 상에 배치되는 수직 빔(1200)들을 포함한다. 전지 모듈(100)은 수직 빔(1200)들 사이에 배치된다. 전지팩(1000) 내에 마련되는 전지 모듈(100)의 개수에 특별한 제한은 없고, 하나 또는 그 이상의 전지 모듈(100)이 배치될 수 있다.
이 때, 전지 모듈(100)과 팩 프레임(1100)의 바닥부(1100F) 사이에는 접착 부재(1400)가 위치할 수 있다. 전지 모듈(100)은 접착성을 갖는 접착 부재(1400)를 통해 팩 프레임(1100)의 바닥부(1100F)에 고정될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)들이 특정 프레임에 수납된 형태가 아니라, 전지셀 그룹(200)들과 히트 싱크(300)가 바로 접착 부재(1400)에 고정된 채 팩 프레임(1100)에 장착되는 형태일 수 있다.
또한, 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100)의 상부에 위치하고, 전지셀 그룹(200)들이 적층되는 방향을 따라 이어지며, 수직 빔(1200)에 체결되는 상부 브라켓(1300)을 더 포함할 수 있다. 상부 브라켓(1300)은 수직 빔(1200)에 조립될 수 있고, 상부 브라켓(1300)과 수직 빔(1200) 간의 조립 방식에 특별한 제한은 없으며, 접착제, 용접 접합이나 볼팅 조립 등이 적용될 수 있다. 전지 모듈(100)은, 수직 빔(1200)과 상부 브라켓(1300)을 통해 팩 프레임(1100) 상에 마운팅 고정될 수 있다.
종합하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 별도의 프레임에 수납되어 프레임 채로 팩 프레임에 고정되는 것이 아니라, 바닥부(1100F) 상의 접착 부재(1400), 수직 빔(1200) 및 상부 브라켓(1300) 등에 의해 고정되는 형태이다. 별도의 프레임에 수납되는 것이 아니므로, 프레임만큼의 무게와 부피를 줄여 간소화된 구조를 구현할 수 있으므로, 공간 활용성이나 전지 용량 증가에 효과적이다.
다만, 프레임에 수납되는 것이 아니므로, 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)의 스웰링에 대한 충분한 구조적 강성을 갖추지 못한다. 이에, 본 실시예에서는 전지 모듈(100)의 측면을 수직 빔(1200)들에 밀착시킴으로써, 수직 빔(1200)이 전지셀(110)의 스웰링에 대한 구조적 강성을 보완할 수 있도록 설계하였다.
한편, 전지 모듈(100)과 수직 빔(1200) 사이 또는 전지 모듈(100)과 상부 브라켓(1300) 사이 중 적어도 한 곳에는, 공차 보상을 위한 패드(1500)가 배치될 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩을 나타낸 사시도이다.
도 18을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)이 수납되는 팩 프레임(1100), 팩 프레임(1100)의 바닥부(1100F) 일면과 수직하도록 팩 프레임(1100)의 바닥부(1100F) 상에 배치되는 수직 빔(1200)들을 포함하고, 전지 모듈(100)은 수직 빔(1200)들 사이에 배치된다.
전지 모듈(100)은, 전지셀 그룹(200)들 및 히트 싱크(300)를 수납하는 모듈 프레임(500)을 더 포함할 수 있다. 모듈 프레임(500)은, 바닥면 및 상기 바닥면의 마주하는 양 변으로부터 상향 연장된 측면(510)을 포함하고, 상부가 개방된 형태일 수 있다.
모듈 프레임(500)의 측면(510)에는, 측면(510)과 수직한 방향으로 돌출된 모듈 마운팅부(500M)가 형성될 수 있고, 모듈 마운팅부(500M)가 수직 빔(1200)에 체결될 수 있다. 일례로, 모듈 마운팅부(500M)에 관통홀이 형성될 수 있다. 볼트 부재가 이러한 관통홀을 통과한 후 수직 빔(1200)에 체결되는 볼팅 조립이 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 전지팩(1000)에서, 전지 모듈(100)의 측면을 수직 빔(1200)들에 밀착시키고, 모듈 프레임(500)의 모듈 마운팅부(500M)가 수직 빔(1200)에 체결되도록 구성함으로써, 전지셀(110)의 스웰링에 대한 구조적 강성을 보완하고, 전지 모듈(100)이 팩 프레임(1100)에 견고히 고정되도록 설계하였다.
본 실시예에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있다.
앞에서 설명한 본 실시예에 따른 하나 또는 그 이상의 전지 모듈은, BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnect Unit), 냉각 시스템 등의 각종 제어 및 보호 시스템과 함께 장착되어 전지팩을 형성할 수 있다.
상기 전지 모듈이나 전지팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단이나 ESS(Energy Storage System)에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 이차 전지를 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
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
100: 전지 모듈
110: 전지셀
200: 전지셀 그룹
300: 히트 싱크
310: 냉각 튜브
320: 매니폴드
400: 버스바 어셈블리
410: 버스바

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 전지셀을 포함하고 일 방향을 따라 적층되는 복수의 전지셀 그룹들; 및
    상기 전지셀 그룹들을 냉각하는 히트 싱크;를 포함하고,
    상기 전지셀은 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향과 수직한 방향으로 돌출된 전극 리드들을 포함하며,
    상기 히트 싱크는, 상기 전지셀 그룹들 사이에 개재되는 냉각 튜브들 및 상기 전지셀을 기준으로 상기 전극 리드들이 돌출되는 방향에 위치하고 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향을 따라 이어지며 상기 냉각 튜브들을 연결하는 매니폴드를 포함하고,
    상기 냉각 튜브와 상기 매니폴드의 내부에 유로가 형성되어, 냉매가 상기 냉각 튜브와 상기 매니폴드의 내부를 따라 흐르며,
    상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹의 일면에 접촉하는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 전극 리드와 연결되는 버스바를 더 포함하고,
    상기 버스바와 상기 매니폴드 사이에 절연 부재가 위치하고,
    상기 절연 부재의 일면은 상기 버스바와 접촉하고, 상기 절연 부재의 타면은 매니폴드와 접촉하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 전지셀을 기준으로 상기 전극 리드가 돌출되는 방향에 위치한 절연 프레임을 더 포함하고,
    상기 버스바는 상기 절연 프레임에 장착되는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 버스바는, 상기 절연 프레임 중 상기 전지셀 그룹들과 마주하는 면의 반대면에 장착되고,
    상기 전극 리드는, 상기 절연 프레임에 형성된 리드 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 상기 버스바에 연결되는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 절연 프레임에 개구홀이 형성되고,
    상기 버스바는 상기 개구홀을 통해 상기 매니폴드를 향해 노출되는 전지 모듈.
  6. 제4항에서,
    상기 버스바는 상기 절연 프레임의 일 측변보다 연장되어 상기 매니폴드를 향해 노출되는 전지 모듈.
  7. 제2항에서,
    상기 절연 부재는 전기적 절연성과 접착성을 갖는 절연 테이프인 전지 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 전극 리드와 연결되는 버스바를 더 포함하고,
    상기 버스바와 상기 매니폴드가 직접 접촉하는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 냉각 튜브는 장방형의 시트 형태이고,
    상기 냉각 튜브가 상기 전지셀 그룹의 상기 일면 전체를 커버하며 상기 전지셀 그룹의 상기 일면에 접촉하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 매니폴드는 원통 형태인 전지 모듈.
  11. 제1항에서,
    상기 전지셀 그룹은, 적어도 하나의 상기 전지셀이 랩핑 부재에 감싸진 형태인 전지 모듈.
  12. 제11항에서,
    상기 랩핑 부재는 전기적 절연성을 갖는 전지 모듈.
  13. 제1항에서,
    상기 전지셀 그룹은 둘 이상의 상기 전지셀들이 랩핑 부재에 감싸진 형태이고, 둘 이상의 상기 전지셀들 사이 중 적어도 한 곳에 압축 패드가 개재되는 전지 모듈.
  14. 제1항에서,
    상기 매니폴드는 상기 냉각 튜브들의 일 측에 위치한 제1 매니폴드 및 상기 냉각 튜브들의 타 측에 위치한 제2 매니폴드를 포함하고,
    상기 제1 매니폴드, 상기 냉각 튜브들 및 상기 제2 매니폴드에서 상기 냉매의 순환 구조가 형성되는 전지 모듈.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 매니폴드의 제1 부분에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 연결되고, 상기 제1 매니폴드의 제2 부분에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 연결되며,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 분리 부재로 구분되며,
    상기 냉매는, 상기 제1 부분, 상기 제1 부분에 연결된 상기 냉각 튜브들, 상기 제2 매니폴드, 상기 제2 부분에 연결된 상기 냉각 튜브들 및 상기 제2 부분 각각의 내부를 차례로 흐르는 전지 모듈.
  16. 제14항에서,
    상기 제1 매니폴드에 상기 냉매가 유입되는 유입부가 연결되고, 상기 제2 매니폴드에 상기 냉매가 배출되는 배출부가 연결되며,
    상기 냉매는, 상기 제1 매니폴드, 상기 냉각 튜브들 및 상기 제2 매니폴드 각각의 내부를 차례로 흐르는 전지 모듈.
  17. 제1항에 따른 전지 모듈;
    상기 전지 모듈이 수납되는 팩 프레임; 및
    상기 팩 프레임의 바닥부 일면과 수직하도록, 상기 팩 프레임의 상기 바닥부 상에 배치되는 수직 빔들;을 포함하고,
    상기 전지 모듈은, 상기 수직 빔들 사이에 배치되는 전지팩.
  18. 제17항에서,
    상기 전지 모듈과 상기 팩 프레임의 상기 바닥부 사이에 접착 부재가 위치한 전지팩.
  19. 제17항에서,
    상기 전지 모듈의 상부에 위치하고, 상기 전지셀 그룹들이 적층되는 방향을 따라 이어지며, 상기 수직 빔에 체결되는 상부 브라켓을 더 포함하는 전지팩.
  20. 제17항에서,
    상기 전지 모듈은, 상기 전지셀 그룹들 및 상기 히트 싱크를 수납하는 모듈 프레임을 더 포함하고,
    상기 모듈 프레임에는 돌출된 모듈 마운팅부가 형성되며,
    상기 모듈 마운팅부가 상기 수직 빔에 체결되는 전지팩.
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