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KR102172516B1 - 조립 구조가 개선된 공냉식 배터리 팩 - Google Patents

조립 구조가 개선된 공냉식 배터리 팩 Download PDF

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KR102172516B1
KR102172516B1 KR1020160170653A KR20160170653A KR102172516B1 KR 102172516 B1 KR102172516 B1 KR 102172516B1 KR 1020160170653 A KR1020160170653 A KR 1020160170653A KR 20160170653 A KR20160170653 A KR 20160170653A KR 102172516 B1 KR102172516 B1 KR 102172516B1
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신은규
정병천
강달모
문정오
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 복수개의 셀들이 적층되어 있는 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리에 접촉하도록 배치되고 내부에는 냉각 공기를 이동시킬 수 있는 공기 통로가 형성되어 있는 에어 덕트; 상기 에어 덕트에 길이방향으로 연장되게 형성되어 있는 체결홈; 및 상기 셀들의 관리를 위한 BMS를 구비하고 상기 체결홈에 슬라이딩으로 삽입되는 슬라이더에 의해 상기 에어 덕트에 조립되는 BMS 플레이트;를 포함하는 공냉식 배터리 팩을 개시한다.

Description

조립 구조가 개선된 공냉식 배터리 팩{AIR COOLING TYPE SECONDARY BATTERY PACK}
본 발명은 공냉식 배터리 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회로기판 플레이트의 조립 구조가 개선된 공냉식 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리 팩은 다수의 셀들이 직렬 및/또는 병렬 연결을 통해 집합된 구조로 형성된다. 이러한 배터리 팩은 통상적으로 다수의 셀들이 일방향으로 배열되어 적층된 셀 어셈블리와, 셀 어셈블리를 감쌀 수 있는 플레이트를 가진 프레임을 구비한다.
종래의 배터리 팩은, 배터리 셀의 냉각을 위해 공냉식으로 냉각 유로를 별도로 설계할 경우 냉각 유로가 차지하는 공간이 별도로 필요하므로 구조의 간소화가 어렵고 장착 가능한 셀 용량에 한계가 있다.
즉, 종래의 배터리 팩은 셀 어셈블리가 수용된 하우징 일측 인렛(Inlet) 부분을 통해 냉각 공기를 유입시키고 셀들 사이의 에어 갭(Air gap)을 통해 에어를 이동시킨 후 쿨링 핀(Cool fin)을 거쳐서 타측 아웃렛(Outlet) 부분으로 공기를 배출하도록 구성되는 것이 일반적이다.
그러나, 상기와 같은 구성을 가진 배터리 팩은 경량화가 곤란할 뿐만 아니라 팩 내부에 부품 설치공간이 많이 요구되고 셀 두께 방향의 공간 활용도가 감소하여 용량 저하를 초래하며, 낮은 열전도도에 의하여 냉각성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 에어 갭과 쿨링 핀이 필요하므로 원가 상승의 문제도 있다.
또한, 종래의 배터리 팩은 도 1에 도시된 바와 같이 전장 부품군이 실장된 회로기판 플레이트(1)가 단순히 셀 어셈블리(2)의 셀 적층 구조 상단 가장자리에서 볼팅(Bolting)(원 표시 참조))에 의해 조립이 된다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 볼팅 방식의 조립 구조는 볼팅 공정이 추가됨에 따라 공정수가 많고 재료비가 증가하여 제품 단가가 상승하는 문제가 있으며, 회로기판 플레이트(1)의 가장자리 둘레에 정해진 간격으로 볼트(3)를 체결하기 위한 공간이 확보되어야 하는 관계로 장치의 구성이 복잡해지므로 대안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 볼팅 공정 없이 회로기판 플레이트를 배터리 팩에 착탈 가능하게 장착할 수 있도록 조립 구조가 개선된 배터리 팩을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 열전도도가 높은 셀 에지부를 냉각시켜 냉각 성능을 높이고 셀 적층 방향의 공간활용도를 높이도록 회로기판 플레이트를 장착할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 복수개의 셀들이 적층되어 있는 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리에 접촉하도록 배치되고 내부에는 냉각 공기를 이동시킬 수 있는 공기 통로가 형성되어 있는 에어 덕트; 상기 에어 덕트에 길이방향으로 연장되게 형성되어 있는 체결홈; 및 상기 셀들의 관리를 위한 BMS를 구비하고 상기 체결홈에 슬라이딩으로 삽입되는 슬라이더에 의해 상기 에어 덕트에 조립되는 BMS 플레이트;를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 슬라이더는 상기 BMS 플레이트의 양 가장자리단에 각각 마련되고, 상기 체결홈은 상기 에어 덕트의 상부에 구비될 수 있다.
상기 에어 덕트의 상단면에는 길이방향으로 연장된 가이드 리브가 상기 에어 덕트와 일체로 형성되고, 상기 체결홈은 단면이 'ㄷ'자 형상이고 개구부가 팩의 안쪽을 향하게 상기 가이드 리브에 형성될 수 있다.
상기 에어 덕트는 알루미늄 소재로 이루어지고, 상기 슬라이더는 플라스틱 소재로 이루어져서 상기 체결홈에 끼워질 수 있다.
바람직하게, 상기 슬라이더는 삽입 진행방향의 반대방향으로 가면서 점진적으로 두께가 증가하는 구배 구조를 가질 수 있다.
본 발명은 홀 또는 홈 구조의 고정부; 및 상기 BMS 플레이트의 일부에 플라스틱 소재로 구비되어 상기 슬라이더의 삽입이 완료된 상태에서 상기 고정부에 체결되는 후크 구조의 스토퍼;를 더 포함할 수 있다.
상기 에어 덕트의 내부에는 트러스 구조물이 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면 공냉식 배터리 팩은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, BMS 플레이트를 배터리 팩에 밀어 넣는 작업만으로 BMS 플레이트의 조립이 완료되므로, 기존의 볼팅 조립 방식에 비해 공정수와 재료비를 절감할 수 있다.
둘째, 셀 어셈블리에 접촉하도록 배치된 에어 덕트를 활용하여 BMS 플레이트의 슬라이딩을 안정적으로 지지할 수 있다.
셋째, 에어 덕트 내에 구비된 트러스 구조에 의해 냉각 성능이 향상됨과 동시에 기구적 강성이 보강될 수 있다.
넷째, 슬라이더의 삽입 진행 반대방향으로 가면서 점진적으로 두께가 증가하는 구배 구조를 가짐으로써 BMS 플레이트를 긴밀하게 에어 덕트에 결합할 수 있다.
다섯째, BMS 플레이트의 조립 상태를 후크 구조로 견고히 고정할 수 있다.
여섯째, BMS 플레이트의 양단 가장자리가 에어 덕트에 접촉하여 체결된 구조에 의해, BMS 플레이트에서 발생하는 열을 효과적으로 에어 덕트로 방열할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 배터리 팩의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공냉식 배터리 팩의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A에 대한 부분 확대 사시도이다.
도 4는 도 3에서 슬라이더가 좀더 삽입된 상태를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 2의 B에 대한 부분 확대 사시도이다.
도 6은 도 5에서 스토퍼가 고정부에 걸린 상태를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공냉식 배터리 팩의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩은 복수개의 셀들로 이루어진 셀 어셈블리(10)와, 셀 어셈블리(10)의 양편 에지부에 접촉하도록 배치된 에어 덕트(20)와, 에어 덕트(20)의 상단에 형성된 체결홈(22)에 착탈 가능하게 조립되는 BMS 플레이트(30)를 포함한다.
셀 어셈블리(10)를 이루는 각각의 셀은 얇은 판상 몸체를 갖는 것으로서, 바람직하게 파우치 셀의 구조로 이루어진다. 파우치 셀은 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층되고 적어도 일측으로 전극탭이 인출되어 있는 구조로 이루어진다. 상기 양극 및 음극은 집전체의 적어도 한면에 전극 활물질, 바인더 수지, 도전제 및 기타 첨가제 등의 슬러리를 도포함으로써 제조된다. 상기 전극 활물질은, 양극의 경우, 리튬 함유 전이금속 산화물과 같은 통상의 양극 활물질이 사용되고, 음극의 경우에는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재 및 금속 화합물 또는 이들의 혼합물과 같은 통상의 음극 활물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터로는 리튬 이차전지에 사용되는 통상의 다공성 고분자 필름이 채용 가능하다.
상기 전극조립체와 함께 파우치 케이스 내에 수용되는 전해액으로는 통상의 리튬 이차전지용 전해액이 채용될 수 있다. 상기 파우치 케이스는 시트 소재로 형성되는 것으로서, 전극조립체를 수용하기 위한 수납부를 구비한다. 바람직하게, 파우치 케이스는 시트 소재가 소정 형상으로 가공되어 형성된 제1 케이스와 제2 케이스가 결합되어 형성된다. 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate, PET)나 나일론(Nylon) 등의 절연물질로 이루어진 최외곽의 외부수지층과, 기계적 강도를 유지하고 수분 및 산소의 침투를 막아주는 알루미늄 소재의 금속층과, 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 폴리올레핀(Polyolepin)계 재료로 이루어진 내부수지층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다.
상기 파우치 케이스를 이루는 시트 소재는 필요에 따라 상기 내부 수지층과 금속층, 상기 외부 수지층과 금속층 사이에는 소정의 접착수지층이 개재될 수 있다. 상기 접착 수지층은 이종 재료 간의 원활한 부착을 위한 것으로서 단층 또는 다층으로 형성되고, 그 재료는 통상적으로 폴리올레핀계 수지가 사용되거나 원활한 가공을 위해 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합물도 채용 가능하다.
셀 어셈블리(10)에 있어서 복수개의 셀들은 두께 방향으로 정해진 간격으로 배치되어 실질적으로 적층 구조를 이룬다.
에어 덕트(20)는 셀 어셈블리(10)를 공냉시키기 위한 것으로서, 냉각 공기를 이동시킬 수 있는 공기 통로가 형성되어 있는 알루미늄 소재의 덕트로 이루어진다. 에어 덕트(20)의 외부면 중 셀 어셈블리(10)를 향하는 내측면은 셀 어셈블리(10)의 에지부에 접촉하도록 배치된다. 이때, 셀 어셈블리(10)의 에지부와 에어 덕트(20) 사이에는 열전도도가 높은 열전달물질(TIM)로 이루어진 열전달 물질이 개재되는 것이 바람직하다.
에어 덕트(20)를 이루는 덕트의 내부에는 뼈대들이 실질적으로 삼각형을 이루도록 반복 배치되어 형성된 트러스(Truss) 구조물(21)이 마련되어 냉각 성능이 개선되는 동시에 외부 충격 등으로부터 셀 어셈블리(10)를 보호할 수 있는 충분한 기구적 강성이 확보될 수 있다.
부가적으로, 에어 덕트(20)의 트러스 구조물(21) 표면에는 다수의 요철 패턴이 형성된다. 상기 요철 패턴은 에어 덕트(20)의 내부 표면적을 증가시켜 냉각 성능을 향상시키는 역할을 한다.
에어 덕트(20)는 셀 어셈블리(10)의 양편에 각각 구비되고, 그 길이방향이 셀 어셈블리(10)의 길이방향과 일치하도록 연장되게 배치된다.
에어 덕트(20)의 상단에는 BMS 플레이트(30)가 조립될 수 있는 체결홈(22)이 마련된다. 바람직하게, 체결홈(22)은 에어 덕트(20)의 상단에 형성된 가이드 리브(23)에 의해 제공될 수 있다. 가이드 리브(23)는 에어 덕트(20)의 상단면에서 길이방향으로 연장되도록 에어 덕트(20)와 일체로 형성되고, 체결홈(22)은 단면이 'ㄷ'자 형상이고 개구부가 팩의 안쪽을 향하도록 가이드 리브(23)에 형성된다.
BMS 플레이트(30)는 셀들의 관리를 위한 BMS(Battery Management System)를 비롯하여, 배터리 팩에 필요한 각종 전장 부품군이 실장되어 있는 회로기판 어셈블리이다. BMS 플레이트(30)는 단일 플레이트, 또는 복수개의 플레이트가 조립된 형태로 제공될 수 있다.
BMS 플레이트(30)는 셀 어셈블리의 적층 구조 상부에 배치되고, 양 가장자리단이 에어 덕트(20)의 체결홈(22)에 슬라이딩 방식으로 끼워져서 조립된다. 이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 BMS 플레이트(30)의 양 가장자리단에는 체결홈(22)에 끼워질 수 있는 형상 및 크기를 가진 바 형태의 슬라이더(31)가 BMS 플레이트(30)의 길이 방향으로 연장되게 형성되어 있다.
슬라이더(31)는 플라스틱 사출성형에 의해 BMS 플레이트(30)에 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 슬라이더(31)의 일부에는 삽입 진행방향의 반대방향으로 가면서 점진적으로 두께가 증가하도록 비스듬히 경사진 구배 구조(32)가 형성되어 있다. 구배 구조(32)는 슬라이더(31)를 체결홈(22)에 압입시키기 위한 것으로서, 외부 진동이나 충격 등에 의해 BMS 플레이트(30)가 에어 덕트(20)에서 분리되거나 흔들림에 의해 파손되는 것을 방지한다.
체결홈(22)을 형성하는 가이드 리브(23)는 에어 덕트(20)와 일체로 알루미늄 소재로 이루어지므로, 슬라이더(31)는 플라스틱 소재로 이루어져서 체결홈(22)에 긴밀히 끼워지는 것이 바람직하다. 슬라이더(31)가 체결홈(22)에 꽉 끼워짐과 동시에 BMS 플레이트(30)의 삽입이 완료될 수 있도록 구배 구조(32)는 슬라이더(31)의 후미 부분에 가까이 위치하는 것이 바람직하다.
슬라이딩 방식으로 조립된 BMS 플레이트(30)의 위치를 보다 견고히 고정하기 위해 BMS 플레이트(30)의 일부에는 플라스틱 소재로 이루어진 후크 구조의 스토퍼(33)가 구비된다. 스토퍼(33)는 BMS 플레이트(30)의 성형 시 일체로 형성될 수 있다. 또한, 에어 덕트(20)나, BMS 플레이트(30)의 하부에 위치하는 소정의 지지 플레이트에는 스토퍼(33)에 대응하는 홀 또는 홈 구조의 고정부(34)가 마련된다. 슬라이더(31)의 삽입이 완료되었을 때 스토퍼(33)는 고정부(34)에 걸려서 BMS 플레이트(30)의 유동을 효과적으로 방지한다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩은 셀 어셈블리(10)의 양편 에지부에 에어 덕트(20)를 배치한 후 셀 어셈블리(10)의 상부 위치에서 BMS 플레이트(30)를 슬라이딩 방식으로 에어 덕트(20)에 체결함으로써 조립이 이루어진다.
에어 덕트(20)의 내부에는 트러스 구조물(21)이 구비되어 있어 강성이 충분히 확보되고, 열전달 면적도 증가시킬 수 있다. 또한, 트러스 구조물(21)에 형성된 다수의 요철 패턴에 의해 열전달 면적이 더욱 증대되어 냉각 성능을 개선할 수 있다.
에어 덕트(20)의 한쪽 개구부로 유입된 냉각 공기는 에어 덕트(20)의 내부에 있는 공기 통로를 따라 이동한 후 반대쪽 개구부에서 강제 배기되어 외부로 배출되고, 이 과정에서 셀 어셈블리(1)에 대한 공냉 작용이 이루어진다.
BMS 플레이트(30)의 조립 과정에서는 에어 덕트(20)의 상단에 일체화되어 있는 가이드 리브(23)의 체결홈(22)에, BMS 플레이트(30)의 가장자리단에 마련된 슬라이더(31)의 앞단을 끼워서 밀어 넣고 슬라이딩시켜서 셀 어셈블리(10)의 상부에 BMS 플레이트(30)가 배치되도록 조립한다.
에어 덕트(20)에 대한 BMS 플레이트(30)의 삽입이 완료되기 직전에는 슬라이더(31)의 구배 구조(32)에 의해 점차 빡빡하게 끼워지고 최종적으로 스토퍼(33)가 고정부(34)에 걸림으로써 조립 상태가 고정된다.
BMS 플레이트(30)의 양단 가장자리가 에어 덕트(20)에 접촉하여 체결된 구조에 의해, BMS 플레이트(30)에서 발생하는 열은 효과적으로 에어 덕트(20)로 전도되어 냉각될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 기존의 배터리 팩과는 BMS 플레이트(30)의 체결 시 볼팅 공정이 생략될 수 있으므로 조립공정을 간소화할 수 있고 재료비를 절감할 수 있다.
또한, 셀 어셈블리의 양편에 배치된 에어 덕트(20)에 의해 냉각이 이루어지므로 셀 두께 방향의 공간 활용도를 높일 수 있고, 에어 덕트(20)의 내부에 마련된 트러스 구조물(21)에 의해 기구적 강성이 충분히 확보될 수 있으며 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 셀 어셈블리 20: 에어 덕트
21: 트러스 구조물 22: 체결홈
23: 가이드 리브 30: BMS 플레이트
31: 슬라이더 32: 구배 구조
33: 스토퍼 34: 고정부

Claims (8)

  1. 복수개의 셀들이 적층되어 있는 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리에 접촉하도록 배치되고 내부에는 냉각 공기를 이동시킬 수 있는 공기 통로가 형성되어 있는 에어 덕트;
    상기 에어 덕트에 길이방향으로 연장되게 형성되어 있는 체결홈; 및
    상기 셀들의 관리를 위한 BMS를 구비하고 상기 체결홈에 슬라이딩으로 삽입되는 슬라이더에 의해 상기 에어 덕트에 조립되는 BMS 플레이트;를 포함하며,
    상기 슬라이더는 상기 BMS 플레이트의 양 가장자리단에 각각 마련되고,
    상기 체결홈은 상기 에어 덕트의 상부에 구비되며,
    상기 에어 덕트의 상단면에는 길이방향으로 연장된 가이드 리브가 상기 에어 덕트와 일체로 형성되고,
    상기 체결홈은 단면이 'ㄷ'자 형상이고 개구부가 팩의 안쪽을 향하게 상기 가이드 리브에 형성되며,
    상기 슬라이더는,
    상기 체결홈에 끼워질 수 있는 바 형태로서, 상기 BMS 플레이트의 길이 방향으로 연장되게 형성되며,
    상기 슬라이더는 삽입 진행방향의 반대방향으로 가면서 점진적으로 두께가 증가하는 구배 구조를 가지며,
    상기 구배 구조는, 상기 슬라이더의 후미 부분에 위치하는 공냉식 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어 덕트는 상기 셀 어셈블리의 양편 에지부에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 공냉식 배터리 팩.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어 덕트는 알루미늄 소재로 이루어지고,
    상기 슬라이더는 플라스틱 소재로 이루어져서 상기 체결홈에 끼워지는 것을 특징으로 하는 공냉식 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    홀 또는 홈 구조의 고정부; 및
    상기 BMS 플레이트의 일부에 플라스틱 소재로 구비되어 상기 슬라이더의 삽입이 완료된 상태에서 상기 고정부에 체결되는 후크 구조의 스토퍼;를 더 포함하는 공냉식 배터리 팩.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 에어 덕트의 내부에는 트러스 구조물이 구비된 것을 특징으로 하는 공냉식 배터리 팩.
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