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KR102378539B1 - 셀 에지 직접 냉각 방식의 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

셀 에지 직접 냉각 방식의 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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KR102378539B1
KR102378539B1 KR1020170166433A KR20170166433A KR102378539B1 KR 102378539 B1 KR102378539 B1 KR 102378539B1 KR 1020170166433 A KR1020170166433 A KR 1020170166433A KR 20170166433 A KR20170166433 A KR 20170166433A KR 102378539 B1 KR102378539 B1 KR 102378539B1
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이재기
이범현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 각 관 형태로 제공되는 모듈 하우징, 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층 배열되어 상기 모듈 하우징 내에 수납되는 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로 구성된 셀 어셈블리를 구비하는 배터리 모듈로서, 상기 파우치형 배터리 셀들에서 연장되는 전극 리드들을 전기적으로 연결하며 상기 셀 어셈블리의 전면부 및 후면부를 각각 커버하는 센싱 어셈블리를 포함하며, 상기 모듈 하우징의 상부와 하부를 형성하는 탑 및 바틈 플레이트와 상기 셀 어셈블리 사이에는 냉각 공기가 유동할 수 있는 유로가 형성되며, 상기 센싱 어셈블리의 상단부 및 하단부에는, 상기 유로에 냉각 공기의 유출입을 허용하는 통풍구가 마련될 수 있다.

Description

셀 에지 직접 냉각 방식의 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Cell edge direct cooling type Battery module and Battery pack including the same}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공기의 흐름이 배터리 셀들의 에지 부분을 따라 유도되는 공냉식 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(ESS, Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
다수의 이차전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 미리 정해진 개수의 이차전지 셀들을 하나의 배터리 모듈로 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 여기서, 배터리 모듈이나 배터리 팩을 구성하는 이차전지 셀들은 일반적으로 용이하게 상호 적층할 수 있는 이점을 갖는 파우치형 이차전지로 구비될 수 있다.
한편, 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.
배터리 모듈의 냉각 방식에는 대표적으로 공냉식과 수냉식, 두 가지를 들 수 있는데, 누전이나 방수 문제 등으로 인해 공냉식이 수냉식보다 널리 이용되고 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 전지셀과 전지셀 사이에 2장의 냉각핀을 접촉시키되, 상기 2장의 냉각핀 사이에 유로를 두어 공기가 흐르도록 하여 전지셀을 공기에 의해 냉각된 냉각핀으로 간접 냉각하는 기술이 개시되어 있다.
그런데 상기와 같은 종래 기술에 따른 공냉식 배터리 모듈은 크게 2가지 문제점이 있다. 첫째로, 중대형 배터리 모듈 내지 배터리 팩의 경우, 공기 유로 확보를 위한 단위 셀과 단위 셀 사이의 간격들 때문에 단위 부피당 에너지 밀도가 낮다. 두번째로, 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.
특허문헌 1. 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0035192호 (2013.04.08) 주식회사 엘지화학 특허문헌 2. 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0144781호 (2014.12.22) 주식회사 엘지화학
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 셀들 간의 간격을 없애고 공기의 흐름이 배터리 셀의 에지 영역에 집중되도록 유로를 구성하여 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 적어도 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 포함하며, 공기 흐름이 상기 배터리 셀의 에지 영역에 집중될 수 있는 공기 흐름 유도 구조를 갖는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각 관 형태로 제공되는 모듈 하우징, 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층 배열되어 상기 모듈 하우징 내에 수납되는 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로 구성된 셀 어셈블리를 구비하는 배터리 모듈로서,
상기 파우치형 배터리 셀들에서 연장되는 전극 리드들을 전기적으로 연결하며 상기 셀 어셈블리의 전면부 및 후면부를 각각 커버하는 센싱 어셈블리를 포함하며, 상기 모듈 하우징의 상부와 하부를 형성하는 탑 및 바틈 플레이트와 상기 셀 어셈블리 사이에는 냉각 공기가 유동할 수 있는 유로가 형성되며, 상기 센싱 어셈블리의 상단부 및 하단부에는, 상기 유로에 냉각 공기의 유출입을 허용하는 통풍구가 마련된 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 전극 리드들과 연결되는 버스바와, 상기 버스바가 전면에 장착되고 상호 탈착 가능하며 일 방향으로 연속적으로 조립되는 복수 개의 센싱 하우징 파트들로 구성된 센싱 하우징을 포함하며, 상기 통풍구는 상기 복수 개의 센싱 하우징 파트의 상단부와 하단부에 형성될 수 있다.
상기 파우치형 배터리 셀들은 상호 간 넓은 면이 접촉하게 밀착배치될 수 있다.
상기 복수 개의 센싱 하우징 파트들은, 상호 대응되는 양각 돌기 및 음각 홈을 구비하여 상기 양각 돌기가 상기 음각 홈에 끼워 맞춰져 조립될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은, 상기 유로 상에서 상기 파우치형 배터리 셀의 에지 부분에 밀착되고 일단이 상기 통풍구 외측에 노출되게 마련되는 히트파이프를 더 포함할 수 있다.
상기 히트파이프는, 상기 파우치형 배터리 셀의 개수에 대응되게 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 적어도 하나의 배터리 모듈; 내부 공간에 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 수납할 수 있는 박스 형태로 마련된 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 일측에 결합되어 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 일측 통풍구에 냉각 공기를 공급하는 냉매 공급유닛을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 모듈은, 각각의 상기 배터리 모듈의 통풍구들이 동일 선상에 위치하게 나란히 밀착 배치된 2개 이상의 배터리 모듈이며, 상기 배터리 모듈들의 전면부에 위치한 통풍구들은 냉각 공기가 유입되는 인렛 통풍구로 정의되고, 후면부에 위치한 통풍구들은 냉각 공기가 배출되는 아울렛 통풍구로 정의되며, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 모듈들의 일측 통풍구들이 배열되는 제1 방향을 따라 상기 팩 케이스의 내부에 마련되고 상기 냉매 공급유닛과 연통되어 냉각 공기의 흐름을 상기 제1 방향으로 안내하는 쿨런트 채널부를 포함할 수 있다.
상기 쿨런트 채널부는, 종단면이 아크 형상으로 개방단이 상기 인렛 통풍구들을 감싸도록 상기 센싱 어셈블리에 맞닿게 마련될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상기 배터리 모듈의 탑 및 바틈 플레이트와 각각 대면하여 밀착되는 상판과 하판을 구비하며, 상기 쿨런트 채널부는, 상기 상판과 일체로 형성되는 상부 쿨런트 채널부와 상기 하판과 일체로 형성되는 하부 쿨런트 채널부를 포함할 수 있다.
상기 센싱 어셈블리는, 상기 상부 쿨런트 채널부의 하면 아래에 맞닿는 상부 돌출판과 상기 하부 쿨런트 채널부의 상면 위에 맞닿는 하부 돌출판을 더 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스는, 적어도 하나의 개구를 구비하고 상기 배터리 모듈들의 아웃렛 통풍구들과 마주하는 벽면을 더 포함할 수 있다.
상기 냉매 공급유닛은, 상기 팩 케이스 외측에 마련되는 팬; 및 상기 팬으로부터 2갈래로 나누어져 상기 상부 쿨런트 채널부 및 상기 하부 쿨런트 채널부와 연통하게 마련된 팬덕트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 공냉식 배터리 모듈로서, 배터리 셀들 간의 간격을 없애고 공기의 흐름이 배터리 셀의 에지 영역에 집중되도록 유로를 구성하여 에너지 밀도를 높인 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면 간편하고 용이한 확장성을 갖는 센싱 어셈블리를 구비한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 냉각 공기의 흐름이 상기 배터리 모듈의 유로로 집중될 수 있게 구성된 팩 케이스 및 팬덕트를 구비한 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 3은 종방향으로 절개한 배터리 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 어셈블리의 정면도이다.
도 6은 도 5의 센싱 어셈블리의 부분 분해 사시도이다.
도 7은 도 2에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 부분 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈의 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9에서 I-I'에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
도 11은 도 10의 부분 확대도이다.
도 12는 도 9에서 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성을 도시한 사시도, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 부분 분해 사시도, 도 3은 종방향으로 절개한 배터리 모듈의 사시도, 도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
이들 도면들은 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 셀 어셈블리(110), 한 쌍의 완충 패드(120), 탑 및 바틈 플레이트(130,140), 한 쌍의 사이드 플레이트(150) 그리고 센싱 어셈블리(160)를 포함한다.
셀 어셈블리(110)는 파우치형 배터리 셀(111)들로만 구성된 셀 적층체이다. 상기 파우치형 배터리 셀(111)들은 상호 간 완전히 밀착되어 면과 면이 접촉하며 넓은 면이 세워져 일 방향으로 배열된다. 따라서 파우치형 배터리 셀(111)들의 양쪽 에지 부분(111a)은 셀 어셈블리(110)의 상단부와 하단부를 형성하게 된다. 여기서 상기 파우치형 배터리 셀(111)의 에지 부분(111a)은, 윙(wing)으로 지칭되기도 한다.
이러한 본 발명에 따른 셀 어셈블리(110)는, 별도의 부품 없이 파우치형 배터리 셀(111)들이 서로 최대한 밀착되어 있으므로 종래에 배터리 셀(111)들 사이에 공기 유로가 존재하는 공냉식 배터리 모듈(100)에 비해 단위 부피당 에너지 밀도가 높다.
셀 어셈블리(110)의 양쪽 측면부에는 한 쌍의 완충 패드(120)가 배치될 수 있다. 파우치형 배터리 셀은 반복적인 충방전 과정에서 전극이 두꺼워지거나, 부반응으로 내부 전해질이 분해되어 가스가 발생할 수 있다. 이때 전극 팽창 및/또는 발생한 가스에 의해 파우치형 배터리 셀(111)이 부풀어 오르는 현상을 '스웰링 현상'이라고 한다. 참고로, 스웰링 현상은 충방전시 전극 팽창에 따른 요인에 더 크게 기인한다. 상기 완충 패드(120)는 이러한 파우치형 배터리 셀(111)들을 압박하여 배터리 셀(111)들의 팽창을 방지 내지 완화한다. 예컨대, 완충 패드(120)는 발포폴리프로필렌(EPP) 또는 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA)으로 파우치형 배터리 셀(111)의 넓은 면과 대면하는 사이즈의 폼 형태로 제작될 수 있다.
탑 및 바틈 플레이트(130,140)와 한 쌍의 사이드 플레이트(150)는 소정의 면적을 가진 플레이트 형태로 마련될 수 있으며, 셀 어셈블리(110)의 상/하부 그리고 양쪽 측면부에 위치되어 셀 어셈블리(110)의 상부, 하부, 좌측면부, 우측면부를 각각 커버한다. 이러한 탑 및 바틈 플레이트(130,140), 한 쌍의 사이드 플레이트(150)를 통칭하여 엔드 플레이트라 할 수 있으며, 이들은 클린칭(clinching) 방식으로 조립되어 각 관 형태의 모듈 하우징을 구성할 수 있다.
이러한 탑 및 바틈 플레이트(130,140)와 한 쌍의 사이드 플레이트(150)는 셀 어셈블리(110)에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 셀 어셈블리(110)를 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 한다. 따라서 상기 탑 및 바틈 플레이트(130,140)와 한 쌍의 사이드 플레이트(150)는 강성이 확보될 수 있도록 스틸 등의 금속 재질로 제작되는 것이 바람직할 수 있다.
특히, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)의 유로(F)는 상기 탑 플레이트(130)와 상기 셀 어셈블리(110)의 상단부 사이와 상기 바틈 플레이트(140)와 상기 셀 어셈블리(110)의 하단부 사이에 형성된다.
파우치형 배터리 셀(111)의 에지 부분(111a)은 파우치 외장재 부분이 열융착된 부분을 폴딩시킨 곳이기 때문에 표면이 평탄하지 않다. 따라서 파우치형 배터리 셀(111)의 에지 부분(111a)과 탑 플레이트(130) 또는 바틈 플레이트 사이에는 공간이 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)에서는 이러한 공간이 유로(F)로 활용되며, 냉각 공기가 상기 유로(F)를 따라(X축 방향) 유동하여 배터리 셀(111)들의 에지 부분(111a)을 직접 냉각한다.
한편, 이러한 유로(F)의 입구와 출구는 후술할 센싱 어셈블리(160)에 마련될 수 있다.
센싱 어셈블리(160)는 셀 어셈블리(110)의 전면부와 후면부를 각각 커버하며 파우치형 배터리 셀(111)들에서 연장되는 전극 리드(112)들을 전기적으로 연결하기 위한 구성이다. 이러한 센싱 어셈블리(160)는 센싱 하우징(162)과 센싱 하우징(162)의 전면에 장착되는 버스바(161)를 포함할 수 있다. 파우치형 배터리 셀(111)의 전극 리드(112)들은 센싱 하우징(162)을 통과하여 버스바(161)에 예컨대, 초음파 용접을 통해 부착될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 센싱 하우징(162)은 상호 탈착 가능하며 일 방향으로 연속적으로 조립 가능하게 마련되는 복수 개의 센싱 하우징 파트(163)들로 구성될 수 있다.
센싱 하우징 파트(163)들은 파우치형 배터리 셀(111)들의 개수에 대응하는 개수로 마련되고, 상호 간 대응되는 양각 돌기(163b)와 음각 홈(163c)을 구비하여 블럭 형태로 끼워 맞춰져 조립될 수 있다.
이를테면, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 센싱 하우징 파트(163)는 좌측면에 양각 돌기(163b)들이 마련될 수 있고, 그 반대편인 우측면에 음각 홈(163c)이 마련될 수 있다. 어느 하나의 센싱 하우징 파트(163)의 양각 돌기(163b)가 다른 하나의 센싱 하우징 파트(163)의 음각 홈(163c) 속에 끼워 맞춰져 들어가, 상기 두개의 센싱 하우징 파트(163)들이 서로 맞닿게 조립될 수 있다. 또한, 센싱 하우징 파트(163)들은 상호 간 스냅-핏 체결될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 버스바(161)는 양단부가 적어도 이중 절곡된 형태로 마련되고, 상기 양단부가 2개의 센싱 하우징 파트(163)가 조립될 때 형성되는 슬릿(162a)에 끼워져 상기 2개의 센싱 하우징 파트(163)들 사이에 장착된다.
위와 같은 패턴으로 센싱 하우징 파트(163)들과 버스바(161)들을 일 방향으로 조립해 나가면 하나의 센싱 어셈블리(160)가 완성될 수 있다.
본 발명과 같이, 센싱 하우징 파트(163) 및 버스바(161)를 조립하여 센싱 어셈블리(160)를 구성할 경우, 배터리 셀(111)들의 개수가 추가되어 셀 어셈블리(110)의 너비가 변경되더라도 얼마든지 센싱 하우징 파트(163)와 버스바(161)를 추가로 조립하여 변경된 셀 어셈블리(110)와 호환 가능한 센싱 어셈블리(160)를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 센싱 어셈블리(160)에는, 전술한 바와 같이, 배터리 모듈(100) 내부에 형성되는 유로(F)에 냉각 공기의 유출입을 허용하는 통풍구(163a)가 더 구비된다.
도 1 및 도 5와 도 6을 같이 참조하면, 센싱 어셈블리(160)는 셀 어셈블리(110)의 전면부와 후면부에 하나씩 2개이고, 통풍구(163a)는 상기 전/후 센싱 어셈블리(160)의 상단부와 하단부에 구비된다. 즉, 전면부에 위치한 센싱 어셈블리(160)에 구비된 통풍구(163a)는 유로(F)의 입구가 되고, 후면부에 위치한 센싱 어셈블리(160)에 구비된 통풍구(163a)는 유로(F)의 출구가 된다.
더 구체적으로 설명하면, 하나의 센싱 하우징 파트(163)의 상단부와 하단부에 각각 2개씩의 통풍구(163a)들이 구비되는데, 각 센싱 하우징 파트(163)의 배후에는 하나의 파우치형 배터리 셀(111)들이 위치하여, 상기 2개씩의 통풍구(163a)들은 유로(F) 상에 있는 하나의 파우치형 배터리 셀(111)들의 양쪽 에지 부분(111a)과 동일 선상에 위치한다.
따라서 냉각 공기는 일측 통풍구(163a)들을 통해 유로(F)로 투입되어 배터리 셀(111)들의 양쪽 에지 부분(111a)에 흐름이 집중될 수 있다. 이러한 냉각 공기는 개별 파우치형 배터리 셀(111)들의 에지 부분(111a)을 타고 흘러 배터리 셀(111)들로부터 열을 흡수하고 반대편 통풍구(163a)들을 통해 빠져나갈 수 있다.
이와 같은, 배터리 셀(111) 에지 직접 공냉 방식에 의하면, 냉각판에 의한 간접 냉각 방식에 비해 냉각 효율이 우수할 뿐만 아니라, 배터리 셀(111)들을 밀착시킬 수 있기 때문에 종래 기술에 따른 공냉식 배터리 모듈(100)에 비해 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 모듈(100)에 대하여 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 간략하게 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)에는 히트파이프(170)가 더 포함될 수 있다. 상기 히트파이프(170)는 유로(F) 상에서 각 파우치형 배터리 셀(111)의 에지 부분(111a)에 부착되고 일단이 통풍구(163a) 내외로 설치될 수 있다.
예컨대, 셀 어셈블리(110)를 C-rate(rated capacity in an hour)가 높은 배터리 셀(111)들로 구성할 경우, 각 배터리 셀(111)에 열전도도가 높은 히트파이프(170)를 추가로 부착하여 냉각 공기와 히트파이프(170)에 의한 직/간접 냉각 방식을 적용하여 배터리 셀(111)들을 냉각시킬 수도 있다.
이러한 본 실시예에 따른 배터리 모듈은 히트파이프(170)가 더 추가로 됨으로써, 전술한 실시예에 비해, 냉각 성능이 더 향상될 수 있다.
이어서, 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 팩(10)에 대하여 살펴보면, 상기 배터리 팩(10)은, 상술한 적어도 하나의 배터리 모듈(100)과, 내부 공간에 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(100)을 수납할 수 있는 박스 형태로 마련된 팩 케이스(200), 그리고 상기 팩 케이스(200)의 일측에 결합되고 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(100)의 일측 통풍구(163a)에 냉각 공기를 공급하는 냉매 공급유닛(300)을 포함한다.
본 실시예의 경우, 배터리 팩(10)은 두 개의 배터리 모듈(100)을 포함하며, 상기 두 개의 배터리 모듈(100)들은 전/후면부에 위치한 통풍구(163a)들이 각각 (Y축 방향으로) 동일 선상에 위치하게 나란히 밀착 배치되고 인터 버스바에 의해 전기적으로 연결된다.
이하에서, 배터리 모듈(100)들의 일측 통풍구(163a)들, 다시 말하면 배터리 모듈(100)들의 전면부에 위치한 통풍구(163a)들이 배열되는 방향을 제1 방향이라 하고, 배터리 모듈(100) 내에 유로(F)가 형성되는 방향을 제2 방향이라 하기로 한다. 도 9에서 보면, Y축 방향이 제1 방향이 되고, X축 방향이 제2 방향이 된다. 또한, 배터리 모듈(100)들의 전면부에 위치한 통풍구(163a)들은 인렛 통풍구(163a)라하고, 후면부에 위치한 통풍구(163a)들은 아웃렛 통풍구라 하기로 한다.
도 10과 도 11을 같이 참조하여 본 발명에 따른 팩 케이스(200)를 살펴보면, 팩 케이스(200)는 내부에 배터리 모듈(100)들의 인렛 통풍구(163a)들이 배열되는 제1 방향을 따라 공기의 흐름을 안내하는 통로 역할을 하는 쿨런트 채널부(210,220)를 구비한다. 그리고 상기 팩 케이스(200)의 외측 벽면에 냉매 공급유닛(300)이 장착되며, 상기 냉매 공급유닛(300)은 상기 쿨런트 채널부(210,220)에만 연통되게 구성된다. 따라서 냉매 공급유닛(300)을 작동시키면, 상기 쿨런트 채널부(210,220)로만 외부 공기가 유입될 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 상기 쿨런트 채널부(210,220)는 종단면이 아크 형상으로 개방단(210a,220a)이 상기 배터리 모듈(100)들의 인렛 통풍구(163a)들을 감싸도록 센싱 어셈블리(160)에 맞닿게 마련되어 있다.
이러한 쿨런트 채널부(210,220)로 유입된 외부 공기는 제1 방향을 따라 유동하면서 인렛 통풍구(163a)들을 통해 분기되어 제2 방향으로 유동할 수 있다. 상기 인렛 통풍구(163a)들을 통과한 외부 공기는 전술한 바와 같이, 배터리 모듈(100)의 유로(F) 상에 노출되어 있는 배터리 셀(111)들의 에지 부분(111a)을 따라 흐르면서 배터리 셀(111)들을 냉각시키고 아웃렛 통풍구들을 통해 배터리 모듈(100)들 밖으로 빠져나갈 수 있다. 그리고 배터리 모듈(100)들 밖으로 빠져나온 더운 공기는 흐름 방향 그대로 팩 케이스(200)의 벽면을 통과해 외부로 배출될 수 있다. 상기 팩 케이스(200)의 벽면은 상기 아웃렛 통풍구들과 맞은편에 위치한 벽면으로 적어도 하나의 개구(250)를 구비하며, 상기 적어도 하나의 개구(250)를 통해 더운 공기가 팩 케이스(200) 외부로 빠져나갈 수 있다.
이어서, 도 11 내지 도 12를 참조하여 팩 케이스(200)의 쿨런트 채널부(210,220)와 배터리 모듈(100)들의 인렛 통풍구(163a)들 및 냉매 공급유닛(300)의 접속 구조를 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 쿨런트 채널부(210,220)는 상부 쿨런트 채널부(210)와 하부 쿨런트 채널부(220)를을 포함하며, 상기 상부 쿨런트 채널부(210)와 상기 하부 쿨런트 채널부(220)는 팩 케이스(200)에서 상판(230)과 하판(240)에 일체로 형성된다.
상기 상판(230)과 하판(240)은 배터리 모듈(100)들의 탑 및 바틈 플레이트(130,140)와 각각 대면하여 밀착되고, 상판(230)과 하판(240)의 일측 모서리 부분은 다른 부분보다 두꺼운 블럭 형태로 형성된다.
상부 쿨런트 채널부(210)와 하부 쿨런트 채널부(220)는 이러한 상판(230)과 하판(240)의 블럭 형태의 일측 모서리 부분에 종단면이 아크 형상 내지 "U" 형상으로 마련된다. 또한, 상기 블럭 형태의 일측 모서리 부분은 상판(230)과 하판(240) 사이에 측면판을 결합할 때, 볼트를 체결할 수 있는 장소로 사용될 수 있다.
한편, 배터리 모듈(100)의 센싱 어셈블리(160)는, 상기 상부 쿨런트 채널부(210)의 하면 아래에 맞닿는 상부 돌출판(163d)과 상기 하부 쿨런트 채널부(220)의 상면 위에 맞닿는 하부 돌출판(163e)을 더 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 도 11과 같이, 배터리 모듈(100)은 상기 상부 돌출판(163d)과 하부 돌출판(163e)이 상부 쿨런트 채널부(210)와 하부 쿨런트 채널부(220) 사이에 끼워지는 형태로 팩 케이스(200) 내부에 배치될 수 있다.
또한, 센싱 어셈블리(160)의 전면부는 상부 쿨런트 채널부(210)와 하부 쿨런트 채널부(220)의 개방단이 맞닿게 밀착 배치될 수 있다. 이 경우, 인렛 통풍구(163a)들은 상기 상부 돌출판(163d)의 위와 상기 하부 돌출판(163e)의 아래에 2 곳에 위치하므로 상부 쿨런트 채널부(210)와 하부 쿨런트 채널부(220)에 의해 완전히 커버될 수 있다.
도 12를 참조하면, 냉매 공급유닛(300)은, 팬(310)과 상기 팬(310)으로부터 상기 쿨런트 채널부(210,220)와 연결되는 팬덕트(320)를 포함한다.
팬덕트(320)는 상기 팬(310)으로부터 2갈래로 나누어지는 제1 덕트(320a)와 제2 덕트(320b)를 포함한다. 상기 제1 덕트(320a)는 상기 상부 쿨런트 채널부(210)와 연통될 수 있고, 상기 제2 덕트(320b)는 상기 하부 쿨런트 채널부(220)와 연통될 수 있게 마련된다. 따라서 상기 팬덕트(320)는 제1 방향으로 대략 "Y"자형 공기 통로를 형성하는 것으로 이해될 수 있다.
즉, 팬(310)이 구동되면, 팬덕트(320)를 따라 팩 케이스(200) 내부로 외부 공기가 유입될 수 있다. 이때, 팬덕트(320)는 "Y" 형으로 상기 상부 쿨런트 채널부(210)와 하부 쿨런트 채널부(220)와 연결되므로, 외부 공기의 흐름은 팩 케이스(200) 내부에서 상기 상부 및 하부 쿨런트 채널부(220)에만 집중될 수 있고 유속이 높게 유지될 수 있다. 팩 케이스(200)에서 공기는 상부 및 하부 쿨런트 채널부(210,220)를 따라 흐르면서 분기되어 인렛 통풍구(163a)들을 통과하고 배터리 모듈(100) 내부의 유로(F)로 흘러들어가 배터리 셀(111)들을 냉각시킨다.
이상과 같은 본 발명에 따른 구성에 의하면, 배터리 셀(111)들 간의 간격을 없앰으로써 에너지 밀도를 높이고 공기의 흐름이 배터리 셀(111)들의 에지 영역에 집중되도록 하여 배터리 셀(111)들을 효과적으로 공냉시킬 수 있는 배터리 모듈(100) 및 배터리 팩(10)이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈과, 팩 케이스, 냉매 공급유닛을 이외에도 자세히 도시하지 않았으나, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차 또는 전력 저장장치(ESS)에 적용될 수 있음은 물론이다.
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.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 배터리 팩 100: 배터리 모듈
110: 셀 어셈블리 111: 배터리 셀
120: 완충 패드 130: 탑 플레이트
140: 바틈 플레이트 150: 사이드 플레이트
160: 센싱 어셈블리 161: 버스바
162: 센싱 하우징 163: 센싱 하우징 파트
163a: 통풍구 163b: 양각 돌기
163c: 음각 홈 163d: 상부 돌출판
163e: 하부 돌출판 170: 히트파이프
200: 팩 케이스 210: 상부 쿨런트 채널부
220: 하부 쿨런트 채널부 230: 상판
240: 하판 250: 개구
300: 냉매 공급유닛 310: 팬
320: 팬덕트 320a: 제1 덕트
320b: 제2 덕트

Claims (13)

  1. 각 관 형태로 제공되는 모듈 하우징, 넓은 면이 세워져 일 방향으로 적층 배열되어 상기 모듈 하우징 내에 수납되는 복수 개의 파우치형 배터리 셀들로 구성된 셀 어셈블리를 구비하는 배터리 모듈로서,
    상기 파우치형 배터리 셀들에서 연장되는 전극 리드들을 전기적으로 연결하며 상기 셀 어셈블리의 전면부 및 후면부를 각각 커버하는 센싱 어셈블리를 포함하며,
    상기 모듈 하우징은 상기 셀 어셈블리의 상부를 커버하는 탑 플레이트와, 상기 셀 어셈블리의 하부를 커버하는 바틈 플레이트를 구비하고,
    상기 셀 어셈블리와 상기 탑 플레이트 사이, 상기 셀 어셈블리와 상기 바틈 플레이트 사이에 냉각 공기가 유동할 수 있는 유로가 형성되며,
    상기 유로는 상기 파우치형 배터리 셀들의 에지 부분과 상기 탑 플레이트 또는 상기 바틈 플레이트 사이에 형성된 공간으로 특정되고,
    상기 센싱 어셈블리는, 그 상단부와 하단부 중 적어도 한 곳에 상기 유로와 연통하는 통풍구를 구비하고,
    상기 셀 어셈블리의 전면부를 커버하는 상기 센싱 어셈블리에 구비된 상기 통풍구는 상기 유로의 입구이고, 상기 셀 어셈블리의 후면부를 커버하는 상기 센싱 어셈블리에 구비된 상기 통풍구는 상기 유로의 출구로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는,
    상기 전극 리드들과 연결되는 버스바와, 상기 버스바가 전면에 장착되고 상호 탈착 가능하며 일 방향으로 연속적으로 조립되는 복수 개의 센싱 하우징 파트들로 구성된 센싱 하우징을 포함하며,
    상기 통풍구는 상기 복수 개의 센싱 하우징 파트의 상단부와 하단부에 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유로 상에서 상기 파우치형 배터리 셀의 에지 부분에 밀착되고 일단이 상기 통풍구 외측에 노출되게 마련되는 히트파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 히트파이프는, 상기 파우치형 배터리 셀의 개수에 대응되게 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파우치형 배터리 셀들은 상호 간 넓은 면이 접촉하게 밀착배치된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 센싱 하우징 파트들은,
    상호 대응되는 양각 돌기 및 음각 홈을 구비하여 상기 양각 돌기가 상기 음각 홈에 끼워 맞춰져 조립되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈;
    내부 공간에 상기 적어도 하나의 배터리 모듈을 수납할 수 있는 박스 형태로 마련된 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 일측에 결합되어 상기 적어도 하나의 배터리 모듈의 일측 통풍구에 냉각 공기를 공급하는 냉매 공급유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은, 각각의 상기 배터리 모듈의 통풍구들이 동일 선상에 위치하게 나란히 밀착 배치된 2개 이상의 배터리 모듈이며,
    상기 배터리 모듈들의 전면부에 위치한 통풍구들은 냉각 공기가 유입되는 인렛 통풍구로 정의되고, 후면부에 위치한 통풍구들은 냉각 공기가 배출되는 아울렛 통풍구로 정의되며,
    상기 팩 케이스는,
    상기 배터리 모듈들의 인렛 통풍구들이 배열되는 제1 방향을 따라 상기 팩 케이스의 내부에 마련되고 상기 냉매 공급유닛과 연통되어 냉각 공기의 흐름을 상기 제1 방향으로 안내하는 쿨런트 채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 쿨런트 채널부는,
    종단면이 아크 형상으로 개방단이 상기 인렛 통풍구들을 감싸도록 상기 센싱 어셈블리에 맞닿게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상기 배터리 모듈의 탑 및 바틈 플레이트와 각각 대면하여 밀착되는 상판과 하판을 구비하며,
    상기 쿨런트 채널부는,
    상기 상판과 일체로 형성되는 상부 쿨런트 채널부와 상기 하판과 일체로 형성되는 하부 쿨런트 채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 센싱 어셈블리는, 상기 상부 쿨런트 채널부의 하면 아래에 맞닿는 상부 돌출판과 상기 하부 쿨런트 채널부의 상면 위에 맞닿는 하부 돌출판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    적어도 하나의 개구를 구비하고 상기 배터리 모듈들의 아웃렛 통풍구들과 마주하는 벽면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 냉매 공급유닛은,
    상기 팩 케이스 외측에 마련되는 팬; 및
    상기 팬으로부터 2갈래로 나누어져 상기 상부 쿨런트 채널부 및 상기 하부 쿨런트 채널부와 연통하게 마련된 팬덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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