WO2026005336A1 - 셀 엣지 냉각 구조를 갖는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

셀 엣지 냉각 구조를 갖는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스

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WO2026005336A1
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battery
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air
pack
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PCT/KR2025/007784
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남궁혁
임대훈
이승준
정지원
홍석현
박정범
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LG Energy Solution Ltd
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LG Energy Solution Ltd
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Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having a cell edge cooling structure, and more specifically, to a battery pack having a cooling path formed through upper and lower spaces of a battery cell stack to implement a cell edge cooling structure, and a device including the same.
  • Secondary batteries are attracting attention as a power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, and plug-in hybrid electric vehicles, which are being proposed as a solution to solve air pollution problems caused by conventional vehicles using fossil fuels, diesel vehicles, etc.
  • While small mobile devices use one or two or three battery cells per device, medium- to large-sized devices such as automobiles use medium- to large-sized battery modules that electrically connect multiple battery cells due to the need for high output and large capacity.
  • pouch-type batteries which can be stacked with high integration and have a small weight-to-capacity ratio, are primarily used as battery cells in mid- to large-sized battery modules.
  • pouch-type batteries which use aluminum laminate sheets as external components, have recently attracted considerable attention due to their advantages such as light weight, low manufacturing costs, and ease of shape modification.
  • the battery cells that make up these medium- to large-sized battery modules are composed of rechargeable secondary batteries. Therefore, these high-output, high-capacity secondary batteries generate a large amount of heat during the charging and discharging process.
  • pouch-type secondary batteries widely used in battery modules, generate heat during repeated charging and discharging. Because these pouch-type secondary batteries are densely packed in a battery module, the temperature of the battery module can rise significantly during operation. If the battery module temperature exceeds the appropriate level, its performance may deteriorate, and in severe cases, there is a risk of explosion or fire. Therefore, securing a cooling method is crucial when constructing a battery module.
  • Korean Patent Publication No. 10-2013-0035192 discloses a technology for cooling battery cells by providing a gap between unit cells to allow air to flow between the unit cells
  • Korean Patent Publication No. 10-2014-0144781 discloses a technology for indirectly cooling battery cells by cooling fins cooled by air by contacting two cooling fins between battery cells and providing a flow path between the two cooling fins to allow air to flow.
  • conventional air-cooled battery modules such as those described above, may have low energy densities per unit volume due to the gaps between unit cells required to secure airflow. Furthermore, when subjected to shock or vibration, the unit cells may come into close contact, eliminating the airflow path, or foreign substances may enter the narrow airflow path, potentially blocking it, resulting in poor structural stability. Furthermore, maintaining a consistent gap between unit cells requires additional components, such as cartridges, necessitating additional cartridge assembly processes and increasing costs.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack and device that implements a cell edge cooling structure by forming a cooling path through the upper and lower spaces of a battery cell stack without an additional structure between adjacent battery cells.
  • the battery pack further includes cover assemblies that are spaced apart from each other in the stacking direction of the battery cells and cover both sides of the cell module assembly, and each of the cover assemblies may be formed with an inlet through which external air is introduced and an outlet through which air passing through the cell module assembly is discharged.
  • the first air flow path (F1) and the third air flow path (F3) may be formed in the same direction as the stacking direction of the battery cells (110), and the second air flow path (F2) may be formed in a direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells (110).
  • the battery module and battery pack containing the battery module described above can be applied to various devices. These devices include, but are not limited to, means of transportation such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrid vehicles. However, the present invention is not limited thereto and can be applied to various devices that can utilize the battery module and battery pack containing the battery module, which also fall within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩은 복수개 적층된 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체, 및 상기 전지 셀 적층체의 양측면을 각각 덮는 버스바 프레임을 포함하는 셀 모듈 어셈블리, 및 상기 셀 모듈 어셈블리가 안착되는 팩 프레임을 포함하고, 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리의 상단 사이 및 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리의 하단 사이에 갭이 형성되고, 상기 버스 바 프레임에 형성된 홀을 통해 공기가 상기 갭으로 유입되어 상기 전지 셀의 엣지부를 냉각한다.

Description

셀 엣지 냉각 구조를 갖는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2024년 06월 27일자 한국 특허 출원 제10-2024-0084584호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 셀 엣지 냉각 구조를 갖는 전지 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전지 셀 적층체의 상하단 공간을 통해 냉각 유로가 형성되어 셀 엣지 냉각 구조를 구현하는 전지 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 차량, 디젤 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기 자동차 등의 동력원으로서 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 모듈이 사용된다.
중대형 전지 모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고, 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지 모듈의 전지 셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장 부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조 비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 받고 있다.
이러한 중대형 전지 모듈을 구성하는 전지 셀들은 충방전이 가능한 이차 전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차 전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시킨다. 특히, 전지 모듈에 널리 사용되는 파우치형 이차전지는 충방전을 반복하는 과정에서 열이 발생한다. 배터리 모듈에는 이러한 파우치형 이차전지들이 좁은 공간에 밀집되어 있기 때문에 배터리 모듈은 운용 중에 온도가 크게 상승할 수 있다. 배터리 모듈이 적정 온도보다 높아지는 경우 성능이 저하될 수 있고, 심한 경우 폭발이나 발화의 위험도 있다. 따라서, 배터리 모듈을 구성함에 있어서 냉각 수단을 확보하는 것이 매우 중요하다.
일반적으로 냉각 시스템에는 수냉식과 공냉식을 사용할 수 있는데, 누전이나 이차 전지의 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 널리 사용되는 경향이 있다.
종래 기술에 따른 공냉식 배터리 모듈은, 일 방향으로 적층 배열되는 배터리 셀들 사이 사이에 갭을 두어 유로를 확보하고, 상기 유로에 공기를 통과시키는 구조로 설계된 것이 많다. 일예로, 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0035192호에는 단위 셀과 단위 셀 사이에 갭을 두어 공기가 상기 단위 셀과 단위 셀 사이에 유동하여 배터리 셀들을 냉각하는 기술이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0144781호에는 전지 셀과 전지 셀 사이에 2장의 냉각핀을 접촉시키되, 상기 2장의 냉각핀 사이에 유로를 두어 공기가 흐르도록 하여 전지 셀을 공기에 의해 냉각된 냉각핀으로 간접 냉각하는 기술이 개시되어 있다.
그런데 상기와 같은 종래 기술에 따른 공냉식 배터리 모듈은 공기 유로 확보를 위한 단위 셀과 단위 셀 사이의 간격들 때문에 단위 부피당 에너지 밀도가 낮을 수 있다. 또, 충격이나 진동이 가해질 경우, 단위 셀과 단위 셀이 밀착되어 유로가 없어지거나, 좁은 유로에 이물질이 유입되어 유로가 막힐 염려가 있어 구조적 안정성이 부족하다. 이외에도 단위 셀들과 단위 셀들의 간격을 일정하게 유지하려면 카트리지와 같은 부수적인 부품이 필요하기 때문에 카트리지 조립 공정이 추가되어야 하고 그에 따른 비용 상승 문제도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이웃하는 전지 셀들 사이에 추가 구조물 없이 전지 셀 적층체의 상하단 공간을 통해 냉각 유로가 형성되어 셀 엣지 냉각 구조를 구현하는 전지 팩 및 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 전지 팩은 복수개 적층된 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체, 및 상기 전지 셀 적층체의 양측면을 각각 덮는 버스바 프레임을 포함하는 셀 모듈 어셈블리, 및 상기 셀 모듈 어셈블리가 안착되는 팩 프레임을 포함하고, 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리의 상단 사이 및 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리의 하단 사이에 갭이 형성되고, 상기 버스 바 프레임에 형성된 홀을 통해 공기가 상기 갭으로 유입되어 상기 전지 셀의 엣지부를 냉각한다.
상기 전지 팩은 상기 전지 셀의 적층 방향으로 서로 이격되어 있고, 상기 셀 모듈 어셈블리의 양측면을 각각 덮는 커버 어셈블리를 더 포함하고, 상기 커버 어셈블리 각각에는 외부 공기가 유입되는 인렛과 상기 셀 모듈 어셈블리를 통과한 공기가 배출되는 아웃렛이 형성될 수 있다.
상기 인렛으로 유입된 공기가 상기 셀 모듈 어셈블리의 일측면을 따라 유동하고, 상기 버스바 프레임에 형성된 홀을 통해 상기 갭으로 상기 공기가 유입되며 상기 갭을 통과한 상기 공기는 상기 아웃렛을 통해 배출될 수 있다.
상기 인렛과 상기 아웃렛은 평면상에서 볼 때 서로 대각선 상에 배치될 수 있다.
상기 인렛이 형성되는 방향과 일직선 상에 형성되는 제1 공기 유로, 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리 사이에 형성되는 제2 공기 유로, 및 상기 아웃렛이 형성되는 방향과 일직선 상에 형성되는 제3 공기 유로를 포함하고, 상기 제1 공기 유로 및 상기 제3 공기 유로는 상기 전지 셀의 적층 방향과 동일한 방향으로 형성되고, 상기 제2 공기 유로는 상기 전지 셀의 적층 방향에 수직한 방향으로 형성될 수 있다.
상기 제2 공기 유로는, 상기 버스바 프레임에 형성된 홀을 통해 공기가 유입되는 상기 갭에 대응할 수 있다.
상기 커버 어셈블리가 형성된 상기 전지 셀 적층체의 제1 측면과 상기 버스 바 프레임이 형성된 상기 전지 셀 적층체의 제2 측면은 서로 교차할 수 있다.
상기 전지 팩은 상기 커버 어셈블리와 상기 전지 셀 적층체의 제1 측면 사이에 위치하는 커버 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 버스 바 프레임에 형성된 홀을 통해 유입된 공기는, 상기 전지 셀로부터 돌출되는 전극 리드와 직접 만나서 상기 전극 리드를 냉각할 수 있다.
상기 홀을 통해 유입된 공기와 만나는 상기 전극 리드 부분은, 상기 버스 바 프레임과 상기 전지 셀 적층체 사이의 공간에 위치할 수 있다.
상기 홀은 상기 버스 바 프레임의 중간 부분에 형성된 중간 홀과, 상기 버스 바 프레임의 하부에 형성되는 하부 홀을 포함하고, 상기 중간 홀을 통해 유입된 공기가 상기 전극 리드와 직접 만날 수 있다.
상기 전지 팩은 상기 팩 프레임의 바닥부와 상기 셀 모듈 어셈블리 사이에 위치하는 절연 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 팩 프레임은, 상기 셀 모듈 어셈블리의 하부와 마주보는 바닥 프레임, 상기 셀 모듈 어셈블리의 상부를 덮는 상부 프레임, 및 상기 셀 모듈 어셈블리의 좌우 측면을 감싸는 측면 프레임을 포함하고, 상기 측면 프레임은 상기 버스 바 프레임을 감쌀 수 있다.
상기 버스 바 프레임의 상단부와 상기 팩 프레임의 상부 프레임은 이격되고, 상기 버스 바 프레임의 하단부와 상기 팩 프레임의 바닥 프레임이 직접 접촉할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 상술한 전지 팩을 적어도 하나 포함한다.
실시예들에 따르면, 버스 바 하우징에 형성된 홀을 통해 공기(Air)가 유입되도록 하여 냉각 유량을 증대시키고, 셀 테라스뿐만 아니라 셀 리드도 냉각시킬 수 있다.
또, 실시예들에 따르면, 버스 바 하우징과 팩 프레임 사이에 공간을 형성하여, 이를 통해 공기가 이동하면서 셀 엣지를 냉각시킬 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 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 팩에서 공기가 이동하는 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 전지 팩에 포함된 전지 셀에 대한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1의 -x축 방향을 향해 바라본 버스 바 프레임을 나타내는 정면도이다.
도 6은 도 1의 zx 평면을 따라 자른 단면도 상에서 공기가 이동하는 모습을 나타내는 단면도이다.
이하에서는 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 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 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 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 팩을 도시한 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 팩에서 공기가 이동하는 모습을 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 1의 전지 팩에 포함된 전지 셀에 대한 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 서로 대향하는 방향으로 돌출된 전극 리드(111, 112)를 포함하는 복수의 전지 셀(110)이 적층된 전지 셀 적층체(120), 전지 셀 적층체(120)를 고정하는 홀딩 밴드(125), 및 전극 리드(111)가 돌출되는 일 방향(x축 방향)의 전지 셀 적층체(120)의 일면에 배치된 버스 바 프레임(150)을 포함한다.
우선, 도 3을 참고하면, 전지 셀(110)은 파우치형 전지 셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 두 개의 전극 리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극 리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 전극 조립체(미도시)로부터 전지 셀(110)의 외부로 돌출된다.
한편, 전지 셀(110)은, 셀 케이스(114)에 전극 조립체(미도시)를 수납한 상태로 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)와 이들을 연결하는 일측부(114c)를 접착함으로써 제조될 수 있다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 전지 셀(110)은 총 3군데의 실링부(114sa, 114sb, 114sc)를 갖고, 실링부(114sa, 114sb, 114sc)는 열융착 등의 방법으로 실링되는 구조이며, 나머지 다른 일측부는 연결부(115)로 이루어질 수 있다. 셀 케이스(114)는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트로 이루어질 수 있다.
또한, 연결부(115)는 전지 셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지 셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극 리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극 리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스(Terrace)부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지 셀(110)은, 전극 리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 전지 셀(110)의 상단부와 하단부는 각각 셀 케이스(114)의 양 단부(114a, 114b)를 연결하는 일측부(114c) 및 연결부(115)에 해당할 수 있다. 전지 셀(110)의 상단부와 하단부는 후술하는 셀 엣지 냉각되는 부분일 수 있다.
전지 셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지 셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지 셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 도 3, 4를 참고하면, 전지 셀(110)들이 y축 방향을 따라 적층되어 전지 셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 전극 리드(111)가 돌출된 방향(x축 방향)의 전지 셀 적층체(120)의 일면에는 버스 바 프레임(150)이 위치할 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 전극 리드(112)가 돌출되는 방향(-x축 방향)의 전지 셀 적층체(120)의 타면에도 버스 바 프레임이 위치할 수 있다. 전지 셀 적층체(120) 및 버스 바 프레임(150)은 셀 모듈 어셈블리(100)를 형성하고, 홀딩 밴드(125)에 의해 전지 셀 적층체(120)에 포함된 전지 셀(110)의 유동을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거된 구조를 형성할 수 있다. 모듈 프레임을 대신하여, 본 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 커버 플레이트(300)와 홀딩 밴드(125)를 포함할 수 있다.
모듈 프레임과 엔드 플레이트가 제거됨에 따라, 전지 셀 적층체(120)를 모듈 프레임 내부에 수납하는 공정이나 모듈 프레임과 엔드 플레이트를 조립하는 공정과 같이 정밀한 컨트롤이 요구되는 복잡한 공정이 불필요하다. 또한, 제거된 모듈 프레임과 엔드 플레이트만큼 셀 모듈 어셈블리(100)의 무게를 크게 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 본 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 모듈 프레임의 제거에 따라, 전지 팩 조립 공정 시 재작업성이 유리하다는 장점을 갖는데, 종래 대비하여 모듈 프레임의 용접 구조로 불량이 발생하여도 재작업이 불가능한 것과 비교될 수 있다.
커버 플레이트(300)는 판상형 부재로써, 전지 셀 적층체(120)의 양 측면에 위치하여, 셀 모듈 어셈블리(100)의 강성을 보완할 수 있다. 이러한 커버 플레이트(300)는 탄성 성질을 가지며 사출 성형으로 제조되는 플라스틱 소재를 포함할 수 있고, 경우에 따라서 판 스프링 소재가 적용될 수 있다.
홀딩 밴드(125)는 전지 셀 적층체(120)의 양 단부에서 전지 셀 적층체(120)를 감싸는 부재로써, 전지 셀 적층체(120)를 구성하는 복수의 전지 셀(110)들과 커버 플레이트(300)를 고정하는 기능을 담당할 수 있다. 구체적으로, 커버 플레이트(300)의 일면에는 홈이 형성되어 있고, 홀딩 밴드(125)의 단부가 상기 홈에 안착된 후에, 고정 부재(미도시)를 통해 홀딩 밴드(125)의 단부와 커버 플레이트(300)가 결합될 수 있다. 홀딩 밴드(125)는 하나의 셀 모듈 어셈블리(100)에 두 쌍이 직용될 수 있고, 한 쌍의 홀딩 밴드(125)는 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부(도 4에서 -z축으로 셀 모듈 어셈블리를 바라보는 면)를 감싸고, 다른 한 쌍의 홀딩 밴드(125)는 셀 모듈 어셈블리(100)의 하부(도 4에서 z축 방향으로 셀 모듈 어셈블리를 바라보는 면)를 감쌀 수 있다.
이러한 홀딩 밴드(125)는 소정의 탄성력을 갖는 소재로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 판스프링의 구조가 적용될 수 있다. 홀딩 밴드(125)는 금속 스트랩으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 홀딩 밴드(125)를 통해 전지 셀 적층체(120) 및 커버 플레이트(300)를 고정한 후, 전극 리드(111)가 돌출되는 방향에 해당하는 전지 셀 적층체(120)의 전면과 후면에 버스 바 프레임(150)을 위치시킬 수 있다. 버스 바 프레임(150)과 중첩하는 커버 플레이트(300)의 단부에 고정 부재(155) 체결을 위한 홈이 형성될 수 있고, 고정 부재(155)를 통해 버스 바 프레임(150)과 커버 플레이트(300)가 결합되어 셀 모듈 어셈블리(100)를 형성할 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 팩은, 복수의 전지 셀(110)을 포함하는 전지 셀 적층체(120), 및 전지 셀 적층체(120)의 양측면을 각각 덮는 버스 바 프레임(150)을 포함하는 셀 모듈 어셈블리(100), 셀 모듈 어셈블리(100)가 안착되는 팩 프레임(350), 전지 셀(110)의 적층 방향으로 전지 셀 적층체(120)의 양측면에 위치하는 커버 플레이트(300), 및 커버 플레이트(300)를 덮는 커버 어셈블리(200)를 포함한다. 커버 어셈블리(200)에는 단자부(미도시)를 덮는 단자 커버부(220)가 결합될 수 있다.
팩 프레임(350)은 바닥 프레임(400)과 상부 프레임(500), 및 측면 프레임(570)을 포함할 수 있다. 바닥 프레임(400)은 셀 모듈 어셈블리(100)의 하부와 마주보고, 상부 프레임(500)은 셀 모듈 어셈블리(100)의 상부를 덮으며, 측면 프레임(570)은 셀 모듈 어셈블리(100)의 좌우 측면을 감쌀 수 있다. 본 실시예에 따른 측면 프레임(570)은 버스 바 프레임(150)과 마주보도록 배치될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상부 프레임(500)과 측면 프레임(570)은 일체로 형성될 수 있다.
도 4의 셀 모듈 어셈블리(100)가 적어도 둘 이상 y축 방향을 따라 배열되고, 셀 모듈 어셈블리(100)는 팩 프레임의 바닥 프레임(400) 상에 장착될 수 있다. 도 1에서는 4개의 셀 모듈 어셈블리(100)가 배열되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
본 실시예에 따른 전지 팩은, 바닥 프레임(400)과 셀 모듈 어셈블리(100) 사이에 절연 플레이트(550)가 배치될 수 있다. 이 때, 셀 모듈 어셈블리(100)의 하단부는 절연 플레이트(550)의 상부와 접촉할 수 있다. 절연 플레이트(550)는 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지 셀(110)과 바닥 프레임(400) 사이의 전기적 절연을 유지하도록 한다.
본 실시예에 따른 커버 플레이트(300)는 전지 셀(110)의 적층 방향(도 1에서 y축 방향)으로 서로 이격되어 있는 전지 셀 적층체(120)의 양측면에 각각 형성되어 전지 셀 적층체(120)를 덮을 수 있다.
본 실시예에 따른 커버 어셈블리(200)는 전지 셀(110)의 적층 방향(도 1에서 y축 방향)으로 서로 이격되어 있는 셀 모듈 어셈블리(100)의 양측면에 각각 형성되어 커버 플레이트(300)를 덮을 수 있다. 커버 어셈블리(200)가 형성된 전지 셀 적층체(120)의 제1 측면과, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 버스 바 프레임(150)이 형성된 전지 셀 적층체의 제2 측면은 서로 교차할 수 있다. 다시 말해, 셀 모듈 어셈블리(100)를 기준으로, 커버 어셈블리(200)가 형성된 측면과 버스 바 프레임(150)이 형성된 측면은 서로 수직 형태일 수 있다.
본 실시예에 따른 커버 어셈블리(200)에는 외부 공기가 유입되는 인렛(250)과 셀 모듈 어셈블리(100)를 통과한 공기가 배출되는 아웃렛(260)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 셀 모듈 어셈블리(100)의 일측면을 덮는 커버 어셈블리(200)에는 인렛(250)이 형성되어 있고, 셀 모듈 어셈블리(100)의 다른 일측면을 덮는 커버 어셈블리(200)에는 아웃렛(260)이 형성되어 있다. 본 실시예에 따르면, 평면상에서 볼 때 인렛(250)과 아웃렛(260)이 서로 대각선 상에 배치될 수 있다. 여기서, 평면상으로 바라볼 때는, 도 2에서 z축 방향을 따라 전지 팩을 바라볼 때의 배치 형태를 가리킬 수 있다.
도 5는 도 1의 -x축 방향을 향해 바라본 버스 바 프레임을 나타내는 정면도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 버스 바 프레임(150)은 전지 셀 적층체(120)의 일면에 위치하여, 전지 셀 적층체(120)를 커버함과 동시에 전지 셀 적층체(120)와 외부 기기와의 연결을 안내할 수 있다. 예를 들어, 버스 바 프레임(150)에는 버스 바(130), 터미널 버스 바(미도시), 및 인터 버스 바(미도시)가 장착될 수 있다. 버스 바(130)나 터미널 버스 바, 인터 버스 바에 의해 전지 셀 적층체(120)에 포함되는 전지 셀(110)들이 직렬 또는 병렬 연결될 수 있고, 셀 모듈 어셈블리(100) 외부로 노출되는 터미널 버스 바를 통해 외부 기기나 회로와 전지 셀(110)들이 전기적으로 연결될 수 있다.
버스 바 프레임(150)은 전기적으로 절연인 소재를 포함할 수 있다. 버스 바 프레임(150)은, 버스 바(130)나 터미널 버스 바가 전극 리드(111, 112)와 접합된 부분을 제외하고, 버스 바(130)나 터미널 버스 바가 전지 셀(110)들과 접촉하는 것을 제한하여, 단락 발생을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따른 버스 바 프레임(150)에는 적어도 하나의 홀(150H)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지 팩에 포함된 도 2에 도시된 인렛(250)을 통해 외부 공기가 팩 프레임(350) 내부로 유입된 후에 버스 바 프레임(150)에 형성된 홀(150H)을 통해 전지 셀 적층체(120)의 상부 및/또는 전지 셀 적층체(120)의 하부에 형성되는 공간으로 상기 공기가 유입될 수 있다. 이처럼 유입된 공기는, 전지 셀(110)에서 발생한 열을 냉각하는 냉매로 작용할 수 있다. 본 실시예에 따라 냉매가 이동하는 경로 및 전지 셀(110)을 냉각하는 과정에 대해서는 후술하기로 한다.
본 실시예에 따른 홀(150H)은 도 5에서 높이 기준으로 중간 부분에 형성되는 중간 홀(150MH)과 버스 바 프레임(150) 하부에 형성되는 하부 홀(150LH)를 포함할 수 있다.
이하 도 2 및 도 6을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매의 이동 경로 및 전지 셀 냉각 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 도 1의 zx 평면을 따라 자른 단면도 상에서 공기가 이동하는 모습을 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 6을 참고하면, 인렛(250)을 통해 외부 공기가 팩 프레임(350) 내부로 유입될 수 있다. 인렛(250)을 통해 유입된 공기는 셀 모듈 어셈블리(100)의 일측면을 따라 유동할 수 있다. 일례로, 인렛(250)을 통해 유입된 공기는 제1 공기 유로(F1)을 따라 이동할 수 있다. 제1 공기 유로(F1)는 인렛(250)이 형성되는 방향과 일직선 상에 형성될 수 있다. 인렛(250)으로 공기가 유입되는 방향은 도 2에서 y축 방향에 대응하고, 제1 공기 유로(F1)는 y축 방향을 따라 뻗을 수 있다.
제1 공기 유로(F1)로 유입된 공기는 버스 바 프레임(150)에 형성된 중간 홀(150MH)과 하부 홀(150LH)을 통해 팩 프레임(350)과 셀 모듈 어셈블리(100) 사이의 공간으로 유입될 수 있다. 팩 프레임(350)과 셀 모듈 어셈블리(100) 사이의 공간은, 팩 프레임의 상부 프레임(500)과 셀 모듈 어셈블리(100)의 상단 사이 및 팩 프레임의 바닥 프레임(400)과 셀 모듈 어셈블리(100)의 하단 사이에 형성된 갭(350G)에 대응할 수 있다. 이때, 팩 프레임의 상부 프레임(500)과 셀 모듈 어셈블리(100)의 상단 사이에 형성되는 갭(350G)과 팩 프레임의 바닥 프레임(400)과 셀 모듈 어셈블리(100)의 하단 사이에 형성되는 갭(350G)은 각각, 제2 공기 유로(F2)가 될 수 있다.
따라서, 제1 공기 유로(F1)로 유입된 공기는 제2 공기 유로(F2)로 다시 유입되어, 전지 셀(110)의 엣지부(110E)를 냉각할 수 있다. 전지 셀(110)의 엣지부(110E)는, 도 3에서 설명한 바와 같이 전지 셀(110)의 상단부와 하단부에 해당할 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 전지 셀(110) 상단부의 제2 공기 유로(F2)는, 버스 바 프레임(150)과 팩 프레임의 상부 프레임(500) 사이의 빈 공간을 통해 유입된 공기와 중간 홀(150MH)을 통해 유입된 공기를 수용할 수 있다. 즉, 버스 바 프레임(150)의 상단부와 팩 프레임의 상부 프레임(500)은 이격될 수 있다.
전지 셀(110) 하단부의 제2 공기 유로(F2)는, 중간 홀(150MH)을 통해 유입된 공기와 하부 홀(150LH)을 통해 유입된 공기를 수용할 수 있다. 이때, 하단부의 제2 공기 유로(F2)를 형성하기 위해, 전지 셀 적층체(120)이 바닥 프레임(400)으로부터 이격되어 있다. 바닥 프레임(400)과 전지 셀 적층체(120) 사이에 절연 플레이트(550)가 개재되어 있는 경우에는, 전지 셀 적층체(120)가 절연 플레이트(550)로부터 이격될 수 있다. 이를 위해 버스 바 프레임(150)의 하단부가 팩 프레임의 바닥 프레임(400)과 직접 접촉할 수 있다. 다시 말해, 전지 셀 적층체(120)의 바닥부의 레벨보다 버스 바 프레임(150)의 바닥부의 레벨이 더 낮을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 버스 바 프레임(150)에 형성된 중앙 홀(150MH)과 하부 홀(150LH)을 통해 제1 공기 유로(F1)의 공기가 제2 공기 유로(F2)로 이동하는 과정에서, 전지 셀(110)로부터 돌출되는 전극 리드(111, 112)와 상기 공기가 직접 만날 수 있다. 상기 공기가 직접 만나는 전극 리드(111, 112) 부분은, 버스 바 프레임(150)과 전지 셀 적층체(120) 사이의 공간에 위치하는 전극 리드 부분일 수 있다. 상기 전극 리드 부분은, 도 5에서 버스 바 프레임(150) 외부로 돌출되어 버스 바(130)와 접합되어 있는 전극 리드 부분과는 다를 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 버스 바 프레임(150)의 홀(150H)을 통해 전지 셀 엣지부(110E) 냉각을 위한 공기가 충분히 유입될 수 있으므로, 냉각 효율이 향상될 수 있다. 또한, 버스 바 프레임(150) 내부에 위치하면서 전지 셀(110)로부터 돌출된 전극 리드(111, 112) 부분에서 상당한 열이 발생할 수 있는데, 이 부분을 냉각을 위한 공기가 지나가게 함으로써 냉각 효율이 더 향상될 수 있다.
버스 바 프레임(150)과 팩 프레임(350) 사이에는 공간이 부족하기 때문에, 버스 바 프레임(150)과 팩 프레임의 상부 프레임(500) 사이의 빈 공간을 통해 유입된 공기는 상대적으로 적다. 따라서, 본 실시예에 따라 형성된 중간 홀(150MH)과 하부 홀(150LH)을 통해 유입된 공기가 전지 셀(110) 엣지부(110E)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
셀 엣지부(110E)를 따라 공기가 이동한 후에 전지 셀(110)의 열을 흡수하여 데워진 공기는, 아웃렛(260)에 인접한 버스 바 프레임(150)에 형성된 중앙 홀(150MH)과 하부 홀(150LH)을 통해 제3 공기 유로(F3)로 배출될 수 있다. 제3 공기 유로(F3)로 유입된 공기는 아웃렛(260)을 통해 팩 프레임(350) 외부로 배출될 수 있다.
제3 공기 유로(F3)는 아웃렛(260)이 형성되는 방향과 일직선 상에 형성될 수 있다. 아웃렛(260)으로 공기가 배출되는 방향은 도 2에서 y축 방향에 대응하고, 제3 공기 유로(F3)는 y축 방향을 따라 뻗을 수 있다.
본 실시예에 따른 제1 공기 유로(F1) 및 제3 공기 유로(F3)는 전지 셀(110)의 적층 방향과 동일한 방향으로 형성되고, 제2 공기 유로(F2)는 전지 셀(110)의 적층 방향에 수직한 방향으로 형성될 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.
100: 셀 모듈 어셈블리
110E: 엣지부
120: 전지 셀 적층체
150H: 홀
155: 고정 부재
200: 커버 어셈블리
250: 인렛
260: 아웃렛
300: 커버 플레이트
350: 팩 프레임
350G: 갭

Claims (15)

  1. 복수개 적층된 전지 셀을 포함하는 전지 셀 적층체, 및 상기 전지 셀 적층체의 양측면을 각각 덮는 버스 바 프레임을 포함하는 셀 모듈 어셈블리, 및
    상기 셀 모듈 어셈블리가 안착되는 팩 프레임을 포함하고,
    상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리의 상단 사이 및 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리의 하단 사이에 갭이 형성되고,
    상기 버스 바 프레임에 형성된 홀을 통해 공기가 상기 갭으로 유입되어 상기 전지 셀의 엣지부를 냉각하는 전지 팩.
  2. 제1항에서,
    상기 전지 셀의 적층 방향으로 서로 이격되어 있는 상기 셀 모듈 어셈블리의 양측면을 각각 덮는 커버 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 커버 어셈블리 각각에는 외부 공기가 유입되는 인렛과 상기 셀 모듈 어셈블리를 통과한 공기가 배출되는 아웃렛이 형성되어 있는 전지 팩.
  3. 제2항에서,
    상기 인렛으로 유입된 공기가 상기 셀 모듈 어셈블리의 일측면을 따라 유동하고, 상기 버스바 프레임에 형성된 홀을 통해 상기 갭으로 상기 공기가 유입되며 상기 갭을 통과한 상기 공기는 상기 아웃렛을 통해 배출되는 전지 팩.
  4. 제3항에서,
    상기 인렛과 상기 아웃렛은 평면상에서 볼 때 서로 대각선 상에 배치되어 있는 전지 팩.
  5. 제3항에서,
    상기 인렛이 형성되는 방향과 일직선 상에 형성되는 제1 공기 유로, 상기 팩 프레임과 상기 셀 모듈 어셈블리 사이에 형성되는 제2 공기 유로, 및 상기 아웃렛이 형성되는 방향과 일직선 상에 형성되는 제3 공기 유로를 포함하고,
    상기 제1 공기 유로 및 상기 제3 공기 유로는 상기 전지 셀의 적층 방향과 동일한 방향으로 형성되고, 상기 제2 공기 유로는 상기 전지 셀의 적층 방향에 수직한 방향으로 형성되는 전지 팩.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 공기 유로는, 상기 버스바 프레임에 형성된 홀을 통해 공기가 유입되는 상기 갭에 대응하는 전지 팩.
  7. 제2항에서,
    상기 커버 어셈블리가 형성된 상기 전지 셀 적층체의 제1 측면과 상기 버스 바 프레임이 형성된 상기 전지 셀 적층체의 제2 측면은 서로 교차하는 전지 팩.
  8. 제7항에서,
    상기 커버 어셈블리와 상기 전지 셀 적층체의 제1 측면 사이에 위치하는 커버 플레이트를 더 포함하는 전지 팩.
  9. 제1항에서,
    상기 버스 바 프레임에 형성된 홀을 통해 유입된 공기는, 상기 전지 셀로부터 돌출되는 전극 리드와 직접 만나서 상기 전극 리드를 냉각하는 전지 팩.
  10. 제9항에서,
    상기 홀을 통해 유입된 공기와 만나는 상기 전극 리드 부분은, 상기 버스 바 프레임과 상기 전지 셀 적층체 사이의 공간에 위치하는 전지 팩.
  11. 제9항에서,
    상기 홀은 상기 버스 바 프레임의 중간 부분에 형성된 중간 홀과, 상기 버스 바 프레임의 하부에 형성되는 하부 홀을 포함하고,
    상기 중간 홀을 통해 유입된 공기가 상기 전극 리드와 직접 만나는 전지 팩.
  12. 제1항에서,
    상기 팩 프레임의 바닥부와 상기 셀 모듈 어셈블리 사이에 위치하는 절연 플레이트를 더 포함하는 전지 팩.
  13. 제1항에서,
    상기 팩 프레임은,
    상기 셀 모듈 어셈블리의 하부와 마주보는 바닥 프레임,
    상기 셀 모듈 어셈블리의 상부를 덮는 상부 프레임, 및
    상기 셀 모듈 어셈블리의 좌우 측면을 감싸는 측면 프레임을 포함하고,
    상기 측면 프레임은 상기 버스 바 프레임을 감싸는 전지 팩.
  14. 제13항에서,
    상기 버스 바 프레임의 상단부와 상기 팩 프레임의 상부 프레임은 이격되고, 상기 버스 바 프레임의 하단부와 상기 팩 프레임의 바닥 프레임이 직접 접촉하는 전지 팩.
  15. 제1항에 따른 전지 팩을 적어도 하나 포함하는 디바이스.
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Citations (5)

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KR20170037125A (ko) * 2015-09-25 2017-04-04 주식회사 엘지화학 배터리 모듈, 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차
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