KR20200107107A - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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유형석
김동현
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 전지 모듈, 상기 전지 모듈을 감싸는 팩 케이스, 상기 전지 모듈로 냉매를 공급하는 유입 포트, 및 상기 전지 모듈에서 냉매를 배출하는 배출 포트를 포함하며, 상기 팩 케이스의 측면은 경사면을 갖고, 상기 유입 포트 및 상기 배출 포트는 상기 팩 케이스의 경사면에 직접 결합된다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스{BATTERY PACK AND DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 공정성 및 조립 효율성이 향상된 냉매 포트를 포함하는 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차 전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 그에 따라, 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
또한, 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기 자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기 자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차 전지는 주로 니켈 수소 금속 이차 전지가 사용되고 있지만, 최근에는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차 전지를 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 이차 전지가 자동차의 동력원으로 이용되는 경우, 상기 이차 전지는 다수의 전지 모듈 내지 전지 모듈 어셈블리를 포함하는 전지팩의 형태로 이용된다. 이와 같은 전지팩은, 전지팩의 충방전 과정에서 발생하는 열을 냉각하기 위해서, 전지 모듈 내지 전지 모듈 어셈블리의 하부에 냉각 장치를 장착하는 구조로 이루어져 있다.
냉각 장치를 사용하여 전지팩 냉각을 위해 냉매 포트 연결이 필요하다. 수밀 구조(watertight structure)를 확보하기 위해 실런트를 통한 조립 공정이 필요한데, 해당 공정 불량시 결함에 의한 누수(leak)가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 신규한 냉매 포트 구조에 의해 조립 공정 불량에 의한 누수를 방지할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은 전지 모듈, 상기 전지 모듈을 감싸는 팩 케이스, 상기 전지 모듈로 냉매를 공급하는 유입 포트, 및 상기 전지 모듈에서 냉매를 배출하는 배출 포트를 포함하며, 상기 팩 케이스의 측면은 경사면을 갖고, 상기 유입 포트 및 상기 배출 포트는 상기 팩 케이스의 경사면에 직접 결합된다.
상기 유입 포트 및 상기 배출 포트 각각은 냉매 유동부와 플랜지부를 포함하고, 상기 냉매 유동부가 뻗는 방향으로 형성되는 제1 축에 수직한 제2 축 기준으로 상기 플랜지부가 기울어져 있고, 상기 유입 포트 및 상기 배출 포트가 결합하는 상기 팩 케이스의 경사면은 상기 플랜지부와 평행할 수 있다.
상기 냉매 유동부와 상기 플랜지부는 일체로 형성될 수 있다.
상기 전지팩은 상기 기울어진 플랜지부에 안착되는 개스킷을 더 포함하고, 상기 개스킷은 상기 플랜지부와 상기 팩 케이스의 경사면 사이에 위치할 수 있다.
상기 개스킷은 고무 재질로 형성될 수 있다.
상기 팩 케이스를 향하는 상기 플랜지부의 일면에 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈에 상기 개스킷이 형성될 수 있다.
상기 전지팩은 상기 플랜지부의 다른 일면에 수직하도록 배치되는 척(chuck) 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 척 가이드 부재는 상기 냉매 유동부를 둘러쌀 수 있다.
상기 개스킷이 상기 플랜지부에 평행하게 기울어져 안착될 수 있다.
상기 유입 포트 및 상기 배출 포트를 포함하는 냉매 포트는 상기 팩 케이스에 볼트 체결될 수 있다.
상기 유입 포트 및 상기 배출 포트를 포함하는 냉매 포트가 결합되어 있는 상기 팩 케이스는 하부 케이스일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 앞에서 설명한 전지팩을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지팩 제조 방법은 전지 모듈을 감싸는 팩 케이스를 형성하는 단계, 및 상기 팩 케이스의 측면 경사면에 결합하기 위한 냉매 포트를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 냉매 포트를 형성하는 단계는, 상기 냉매 포트의 냉매 유동부를 둘러싸는 척 가이드 부재를 형성하는 단계, 상기 척 가이드 부재를 통해 상기 냉매 포트의 플랜지부의 일면에 CNC 척을 수직하게 밀착시키는 단계, 및 상기 CNC 척을 사용하여 CNC 가공하여 상기 플랜지부의 일면에 안착홈을 형성하는 단계, 및 상기 안착홈에 개스킷을 장착하는 단계를 포함한다.
상기 전지팩 제조 방법은 상기 플랜지부에 상기 팩 케이스와의 연결을 위한 연결홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연결홈은 상기 안착홈 바깥쪽에 형성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 전지팩 측면에 배치되는 브라켓과 하부 케이스가 일체화되고, 팩 케이스의 측면 경사부에 냉매 포트가 직접 결합되도록 플랜지부를 형성하여, 각 구성간 연결 과정에서 발생하던 누수 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 비교예로서 측면에 경사면을 갖는 팩 케이스를 포함하는 전지팩에서 브라켓을 사용한 냉매 포트 연결 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지팩을 정면에서 바라본 도면이다.
도 3은 도 1의 전지팩을 측면에서 바라본 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 전지팩에 포함된 냉매 포트 연결 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지팩을 정면에서 바라본 도면이다.
도 6은 도 4의 전지팩을 측면에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 냉매 포트 구조를 나타내는 시시도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 안착면을 형성하기 위한 가공 방법을 설명하는 도면들이다.
도 10은 도 8 및 도 9의 비교예로서, 척 안착 구조체가 없는 경우를 나타내는 도면이다.
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, 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.
도 1은 비교예로서 측면에 경사면을 갖는 팩 케이스를 포함하는 전지팩에서 브라켓을 사용한 냉매 포트 연결 구조를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지팩을 정면에서 바라본 도면이다. 도 3은 도 1의 전지팩을 측면에서 바라본 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 전지팩의 충방전 과정에서 발생하는 열을 냉각하기 위해서, 전지 모듈 내지 전지 모듈 어셈블리의 하부에 형성된 냉각 장치에 냉매를 공급하기 위해, 팩 케이스(10) 측면에 냉매 포트(30)가 연결되어 있다. 팩 케이스(10) 측면은 경사면(BS)을 가질 수 있고, 이러한 경사면(BS)에 직접 냉매 포트(30)를 연결하게 되면 냉매 포트(30)가 바닥면에 대해 평행하지 않고 팩 케이스(10) 경사면(BS)만큼 기울어질 수 있다.
전지팩은 지면과 수평한 상태가 되도록 차량에 조립이 되며, 냉매 포트(30)가 도 1의 X, Y, Z축으로 규정된 위치로 수직하게 조립되지 않는다면, 냉매의 유로에 각이 생겨 저항이 늘고 냉매의 순환에 방해가 될 수 있다. 따라서, 차량 커넥터가 연결되는 인터페이스 부분이 될 수 있는 냉매 포트(30)는, 도 1의 X, Y, Z축으로 규정된 위치로 수직하게 조립되어야 한다는 요구 사항이 있다. 이를 위해, 냉매 포트(30)와 팩 케이스(10) 사이에 브라켓(20)을 배치하여 팩 케이스(10)의 경사면(BS)에 따른 냉매 포트(30)의 기울임 배치를 상쇄할 수 있다. 즉, 브라켓(20)이 팩 케이스(10)의 경사면(BS)을 따라 두께를 달리하면서 브라켓(20)의 일면에 냉매 포트(30)가 수직하게 결합되고, 브라켓(20)의 다른 일면은 경사면을 가져 팩 케이스(10)의 경사면(BS)과 맞물려 결합될 수 있다. 하지만 이렇게 하면, 브라켓 추가에 따른 중량 상승과 비용 상승이 초래된다. 뿐만 아니라, 브라켓(20)을 팩 케이스(10)와 결합시키기 위해 도 3에 도시한 바와 같이 실런트 결합(40)이 필요하다. 실런트 결합(40)을 통한 조립 공정에 불량이 나서 결함이 발생하면 누수(leak)가 발생할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 전지팩에 포함된 냉매 포트 연결 구조를 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 전지팩을 정면에서 바라본 도면이다. 도 6은 도 4의 전지팩을 측면에서 바라본 도면이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지팩은 그 내부에 복수의 전지 모듈을 포함하고, 상기 복수의 전지 모듈을 감싸는 팩 케이스에 포함되는 하부 케이스(110)와 상부 케이스(210)가 결합되어 있다. 하부 케이스(110)의 측면에는 냉매 유입 포트(300a)와 냉매 배출 포트(300b)를 포함하는 냉매 포트(300)가 형성되어 있다. 냉매 유입 포트(300a)는 상기 팩 케이스 내부의 전지 모듈에서 발생한 열을 식히기 위해 상기 팩 케이스 내부로 냉매를 공급하고, 냉매 배출 포트(300b)는 상기 팩 케이스 내부로부터 냉매를 배출한다.
본 실시예에서 냉매 포트(300)은 냉매 유동부와 플랜지부(FP)를 포함한다. 상기 냉매 유동부와 플랜지부(FP)는 일체로 형성될 수 있다. 냉매 유동부는 냉매 포트(300)에서 실제로 냉매를 흐르게 하는 관 모양의 파이프에 해당하고, 냉매 유동부는 플랜지부(FP)를 관통할 수 있다. 플랜지부(FP)는 도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이 상기 냉매 유동부 외부로 넓은 면을 형성하는 테두리에 해당하는 부분을 가리킨다. 플랜지부(FP)는 하부 케이스(110)와 결합한다. 이때 플랜지부(FP)는 냉매 유동부가 뻗는 방향으로 형성되는 Y축에 수직한 Z축 기준으로 기울어질 수 있다. 냉매 유입 포트(300a)와 냉매 배출 포트(300b)가 결합하는 하부 케이스(110)의 경사면(BS)은 플랜지부(FP)와 평행하다.
도 6을 참고하면, 냉매 포트(300)의 플랜지부(FP)에는 체결 부재(350)가 형성될 수 있고, 체결 부재(350)에 의해 냉매 포트(300)와 하부 케이스(110)가 결합될 수 있다. 체결 부재(350)는 볼트 체결 부재일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 냉매 포트 구조를 나타내는 시시도이다.
도 7을 참고하면, 본 실시예에 따른 냉매 포트(300)는 플랜지부(FP)의 일면에 안착홈(400s)이 형성될 수 있다. 도 5을 다시 참고하면, 도 7의 냉매 포트(300)가 하부 케이스(110)의 경사면(BS)과 결합되는 방향을 제1 방향(Y1)이라고 하고, 제1 방향(Y1)과 반대 방향을 제2 방향(Y2)이라고 할 때, 안착홈(400s)은 플랜지부(FP)에서 제2 방향(Y2)을 향하는 일면에 형성될 수 있다.
안착홈(400s)에 개스킷(400)이 안착될 수 있다. 개스킷(400)은 고무 재질로 형성될 수 있으며, 구체적으로 EPDM(ethylene propylene diene monomer rubber) 또는 실리콘 등의 재질로 형성될 수 있다. 플랜지부(FP)에는 도 6에서 설명한 체결 부재(350)가 삽입되기 위한 연결홈(CH)이 형성될 수 있다. 연결홈(CH)은 안착홈(400s)이 형성된 플랜지부(FP) 면보다 바깥쪽에 형성될 수 있으며, 연결홈(CH)은 관통구일 수 있다.
안착홈(400s)이 플랜지부(FP)에서 제2 방향(Y2)을 향하는 일면에 형성됨에 따라 개스킷(400)은 플랜지부(FP)와 도 5의 하부 케이스(110) 경사면(BS) 사이에 위치할 수 있다. 개스킷(400)은 일종의 오링(O-ring) 역할을 할 수 있으며, 누수를 방지하는 역할을 한다.
도 8 및 도 9는 도 7의 안착면을 형성하기 위한 가공 방법을 설명하는 도면들이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 본 실시예에 따른 냉매 유입 포트(300a)는 척 가이드 부재(500)를 더 포함할 수 있다. 척 가이드 부재(500)는 냉매 유입 포트(300a)의 냉매 유동부를 둘러쌀 수 있다. 도 7에서 설명한 바와 같이 개스킷(400)을 플랜지부(FP)에 장착하기 위해 안착홈(400s)을 형성하려면, 지면에 수직한 방향을 기준으로 기울어져 있는 플랜지부(FP)의 구조를 고려할 필요가 있다. 다시 말해, 안착홈(400s)을 형성하기 위해 CNC(Computerized Numerical Control) 가공할 수 있고, 이때 사용하는 CNC 척(Chuck)을 플랜지부(FP)에 밀착시키기 어렵기 때문에 CNC 가공이 불가능하다. 하지만, 본 실시예에 따른 냉매 유입 포트(300a)는 CNC 척을 플랜지부(FP)의 일면에 밀착시켜 플랜지부(FP)의 일면에 수직하도록 CNC 척을 배치할 수 있기 때문에 도 7의 안착홈(400s) 형성을 위한 CNC 가공이 가능해진다.
이상에서는 냉매 포트(300)의 냉매 유입 포트(300a)에 대해 설명하였으나, 냉매 배출 포트(300b)도 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 10은 도 8 및 도 9의 비교예로서, 척 안착 구조체가 없는 경우를 나타내는 도면이다.
도 10을 참고하면, 앞에서 설명한 척 가이드 부재 없이 CNC 척을 플랜지부를 향해 삽입하게 되면, 플랜지부의 기울어진 구조에 의해 CNC 척을 플랜지부를 향해 삽입하여 가공하는 면과 플랜지부의 기울어진 면의 개스킷 안착면의 기울기가 달라진다. 이처럼 서로 다른 각도 때문에 개스킷 안착면에 정확한 가공이 어렵게 된다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디바이스는 앞에서 설명한 전지팩을 전원으로 포함한다. 이러한 디바이스에는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 전지팩을 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.
FP: 플랜지부
110: 하부 케이스
210: 상부 케이스
300: 냉매 포트
350: 체결 부재
400: 개스킷
500: 척 가이드 부재

Claims (15)

  1. 전지 모듈,
    상기 전지 모듈을 감싸는 팩 케이스,
    상기 전지 모듈로 냉매를 공급하는 유입 포트, 및
    상기 전지 모듈에서 냉매를 배출하는 배출 포트를 포함하며,
    상기 팩 케이스의 측면은 경사면을 갖고, 상기 유입 포트 및 상기 배출 포트는 상기 팩 케이스의 경사면에 직접 결합되는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 유입 포트 및 상기 배출 포트 각각은 냉매 유동부와 플랜지부를 포함하고,
    상기 냉매 유동부가 뻗는 방향으로 형성되는 제1 축에 수직한 제2 축 기준으로 상기 플랜지부가 기울어져 있고,
    상기 유입 포트 및 상기 배출 포트가 결합하는 상기 팩 케이스의 경사면은 상기 플랜지부와 평행한 전지팩.
  3. 제2항에서,
    상기 냉매 유동부와 상기 플랜지부는 일체로 형성되는 전지팩.
  4. 제2항에서,
    상기 기울어진 플랜지부에 안착되는 개스킷을 더 포함하고,
    상기 개스킷은 상기 플랜지부와 상기 팩 케이스의 경사면 사이에 위치하는 전지팩.
  5. 제4항에서,
    상기 개스킷은 고무 재질로 형성된 전지팩.
  6. 제4항에서,
    상기 팩 케이스를 향하는 상기 플랜지부의 일면에 안착홈이 형성되고,
    상기 안착홈에 상기 개스킷이 형성되어 있는 전지팩.
  7. 제5항에서,
    상기 플랜지부의 다른 일면에 수직하도록 배치되는 척(chuck) 가이드 부재를 더 포함하는 전지팩.
  8. 제7항에서,
    상기 척 가이드 부재는 상기 냉매 유동부를 둘러싸는 전지팩.
  9. 제4항에서,
    상기 개스킷이 상기 플랜지부에 평행하게 기울어져 안착되는 전지팩.
  10. 제1항에서,
    상기 유입 포트 및 상기 배출 포트를 포함하는 냉매 포트는 상기 팩 케이스에 볼트 체결되는 전지팩.
  11. 제1항에서,
    상기 유입 포트 및 상기 배출 포트를 포함하는 냉매 포트가 결합되어 있는 상기 팩 케이스는 하부 케이스인 전지팩.
  12. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
  13. 전지 모듈을 감싸는 팩 케이스를 형성하는 단계, 및
    상기 팩 케이스의 측면 경사면에 결합하기 위한 냉매 포트를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 냉매 포트를 형성하는 단계는,
    상기 냉매 포트의 냉매 유동부를 둘러싸는 척 가이드 부재를 형성하는 단계,
    상기 척 가이드 부재를 통해 상기 냉매 포트의 플랜지부의 일면에 CNC 척을 수직하게 밀착시키는 단계, 및
    상기 CNC 척을 사용하여 CNC 가공하여 상기 플랜지부의 일면에 안착홈을 형성하는 단계, 및
    상기 안착홈에 개스킷을 장착하는 단계를 포함하는 전지팩 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 플랜지부에 상기 팩 케이스와의 연결을 위한 연결홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 전지팩 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 연결홈은 상기 안착홈 바깥쪽에 형성되는 전지팩 제조 방법.
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