KR20220129324A - 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체가 수납되는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 하부 또는 상부에 위치하고, 냉매가 흐르는 냉각 유로를 갖는 냉각 프레임을 포함한다. 상기 냉각 프레임은, 상기 냉각 유로와 연결된 유입부 및 배출부를 포함한다. 상기 유입부는 상기 냉각 프레임의 일측에 위치하고, 상기 배출부는 상기 냉각 프레임의 상기 일측의 반대편에 위치한 다른 일측에 위치한다. 상기 유입부에는, 제1 방향전환 스위치가 배치되고, 상기 배출부에는 제2 방향전환 스위치가 배치된다.

Description

전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 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.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체 및 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 전지 케이스를 구비한다.
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 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.
한편, 전지 모듈이나 전지팩은, 전지셀들이 밀집되어 있는 구조 상, 외곽 부분의 온도보다는 중앙 부분의 온도가 높다. 전지 모듈 내부에서의 온도 편차는, 출력 저하, 수명 단축 등 전지 모듈의 성능 저하로 이어지기 때문에 전지 모듈 내부의 전지셀 간의 온도 편차를 줄이는 것이 중요하다. 즉, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보함과 동시에 내부의 전지셀들 간의 온도 편차를 해소하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전지셀 간의 냉각 편차를 해소하는 것에 효과적인 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, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체; 상기 전지셀 적층체가 수납되는 모듈 프레임; 및 상기 모듈 프레임의 하부 또는 상부에 위치하고, 냉매가 흐르는 냉각 유로를 갖는 냉각 프레임을 포함한다. 상기 냉각 프레임은, 상기 냉각 유로와 연결된 유입부 및 배출부를 포함한다. 상기 유입부는 상기 냉각 프레임의 일측에 위치하고, 상기 배출부는 상기 냉각 프레임의 상기 일측의 반대편에 위치한 다른 일측에 위치한다. 상기 유입부에는, 제1 방향전환 스위치가 배치되고, 상기 배출부에는 제2 방향전환 스위치가 배치된다.
상기 냉각 유로는, 상기 냉각 프레임의 가장 바깥쪽에 각각 위치하는 좌측 냉각 유로와 우측 냉각 유로 및 상기 좌측 냉각 유로와 상기 우측 냉각 유로 사이에 위치하는 중앙 냉각 유로를 포함할 수 있다.
상기 유입부를 통해 유입된 상기 냉매는, 상기 제1 방향전환 스위치에 의해 상기 좌측 냉각 유로 또는 상기 우측 냉각 유로를 따라 흐르고, 상기 제2 방향전환 스위치에 의해 상기 중앙 냉각 유로를 따라 흐를 수 있다.
상기 냉각 유로는, 상기 좌측 냉각 유로와 상기 중앙 냉각 유로 사이에 위치하는 좌심 냉각 유로 및 상기 우측 냉각 유로와 상기 중앙 냉각 유로 사이에 위치하는 우심 냉각 유로를 포함할 수 있다. 상기 제2 방향전환 스위치에 의해 상기 중앙 냉각 유로를 통과한 상기 냉매는, 상기 좌심 냉각 유로 및 상기 우심 냉각 유로 중 적어도 하나를 따라 흐를 수 있다.
상기 좌심 냉각 유로 및 상기 우심 냉각 유로 중 적어도 하나를 따라 흐른 상기 냉매는, 상기 제1 방향전환 스위치에 의해 상기 우측 냉각 유로 또는 상기 좌측 냉각 유로를 따라 흐르고, 상기 제2 방향전환 스위치에 의해 상기 배출부를 통해 배출될 수 있다.
상기 제1 방향전환 전환 스위치는, 상기 유입부가 상기 좌측 냉각 유로와 상기 우측 냉각 유로 중 하나와 연결되도록 전환될 수 있다.
상기 제2 방향전환 전환 스위치는, 상기 배출부가 상기 좌측 냉각 유로와 상기 우측 냉각 유로 중 하나와 연결되도록 전환될 수 있다.
상기 좌측 냉각 유로, 상기 우측 냉각 유로 및 상기 중앙 냉각 유로는, 상기 전지셀의 길이 방향을 따라 뻗을 수 있다.
상기 제1 방향전환 스위치 및 상기 제2 방향전환 스위치는, 주기적으로 방향이 변함으로써, 상기 냉각 프레임의 좌측 또는 우측에서 먼저 상기 냉매가 흐를 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 전지 모듈의 좌측 부분과 우측 부분 각각의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 센서에서 측정된 온도 정보를 토대로, 상기 제1 방향전환 스위치가 상기 전지 모듈의 좌측 부분과 우측 부분 중 온도가 더 높은 부분에 대응하는 냉각 유로에 상기 냉매를 우선 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전지셀들의 온도 현황에 따라 냉각 유로의 흐름을 변경할 수 있는 냉각 장치를 마련함으로써, 전지 모듈 내의 냉각 편차를 줄일 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 모듈을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 전지 모듈에 포함된 냉각 프레임을 나타낸 사시도이다.
도 4 및 도 5는, 도 3의 냉각 프레임을, xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 평면도들이다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈을 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 전지 모듈에 포함된 전지셀을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120); 전지셀 적층체(120)가 수납되는 모듈 프레임(200); 및 모듈 프레임(200)의 하부 또는 상부에 위치하고, 냉각 유로를 갖는 냉각 프레임(300)을 포함한다.
우선, 도 2를 참고하면, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀인 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 전지셀(110)은 2개의 전극리드(111, 112)가 서로 대향하여 셀 본체(113)의 일단부(114a)와 다른 일단부(114b)로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 갖는다. 보다 상세하게는 전극리드(111, 112)는 전극 조립체(미도시)와 연결되고, 전극 조립체(미도시)로부터 전지셀(110)의 외부로 돌출된다. 한편, 이와 달리, 2개의 전극 리드가 서로 같은 방향으로 돌출되는 단방향 파우치형 전지셀들이 사용될 수 있음은 물론이다.
한편, 전지셀(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 전지셀(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 전지셀(110)의 일 테두리를 따라 길게 뻗을 수 있고, 연결부(115)의 단부에는 배트 이어(bat-ear)라 불리우는 전지셀(110)의 돌출부(110p)가 형성될 수 있다. 또한, 돌출된 전극리드(111, 112)를 사이에 두고 셀 케이스(114)가 밀봉되면서, 전극리드(111, 112)와 셀 본체(113) 사이에 테라스(Terrace)부(116)가 형성될 수 있다. 즉, 전지셀(110)은, 전극리드(111, 112)가 돌출된 방향으로 셀 케이스(114)로부터 연장 형성된 테라스부(116)를 포함한다.
전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 도 1을 참고하면, 전지셀(110)들이 y축 방향을 따라 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성할 수 있다. 이에 따라 전극리드(111, 112)들은 x축 방향과 -x축 방향을 향해 돌출될 수 있다.
한편, 전극리드(111, 112)들이 돌출된 방향(x축 방향, -x축 방향)으로, 모듈 프레임(200)이 개방될 수 있으며, 구체적으로 도시하지 않았으나 모듈 프레임(200)의 개방된 양 측에 각각 엔드 플레이트(미도시)가 위치할 수 있다. 모듈 프레임(200)과 엔드 플레이트(미도시)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120)를 비롯한 여러 전장품을 보호할 수 있다. 이를 위해 모듈 프레임(200) 및 엔드 플레이트는 소정의 강도를 가져야 하며 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다.
구체적으로 도시하지 않았으나, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전지셀은 각형 전지셀 또는 원통형 전지셀일 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참고하여, 본 실시예에 따른 냉각 프레임에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 도 1의 전지 모듈에 포함된 냉각 프레임을 나타낸 사시도이다. 도 4 및 도 5는, 도 3의 냉각 프레임을, xy 평면 상에서 -z축 방향을 따라 바라본 평면도들이다.
도 1 및 도 3 내지 도 5를 참고하면, 상술한 바 대로, 본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)은, 모듈 프레임(200)의 하부 또는 상부에 위치하고, 그 내부에 냉각 유로(300F)를 갖는다. 도 1에는, 본 발명의 일 실시예로써, 모듈 프레임(200)의 하부에 위치한 냉각 프레임(300)을 도시하였으나, 모듈 프레임(200)의 상부에 위치한 냉각 프레임도 가능함은 물론이다.
본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)은 냉각 유로(300F)와 연결된 유입부(310) 및 배출부(320)를 포함한다. 유입부(310)를 통해 냉매가 냉각 유로(300F)에 유입되고, 유입된 냉매는 냉각 유로(300F)를 따라 흐른 뒤 배출부(320)를 통해 외부로 배출된다. 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 수 있다.
유입부(310)에는, 제1 방향전환 스위치(300S1)가 배치되고, 배출부(320)에는 제2 방향전환 스위치(300S2)가 배치된다. 후술하겠으나, 제1 방향전환 스위치(300S1)와 제2 방향전환 스위치(300S2)는, 냉매의 이동 경로를 전환하는 기능을 담당한다 .
유입부(310)는 냉각 프레임(300)의 일측에 위치하고, 배출부(320)는 상기 일측의 반대편에 위치한 다른 일측에 위치한다. 즉, 냉각 프레임(300)으로부터 유입부(310)와 배출부(320)가 서로 대향하여 돌출된다. 유입부(310)와 배출부(320)는 파이프 형태로 도시되었으나, 냉매를 공급하고 배출한다면 그 형태에 특별한 제한은 없다.
한편, 냉각 프레임(300)에는 냉매의 흐름을 가이드하기 위한 격벽(300W)들이 형성되어 있고, 이러한 격벽(300W)들 사이에 냉각 유로(300F)가 형성된다. 본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)은, 상부가 개방된 형태일 수 있다. 냉각 프레임(300)의 개방된 상부에 모듈 프레임(200)의 바닥부(210)가 접합되어, 냉각 유로(300F)가 밀폐될 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 냉각 프레임이 모듈 프레임(200)의 상부에 위치할 경우, 냉각 프레임은 하부가 개방된 형태일 수 있다. 냉각 프레임의 개방된 하부에 모듈 프레임(200)의 천장부(220)가 접합되어, 냉각 유로가 밀폐될 수 있다.
다만, 위의 냉각 프레임들의 형태는 일종이 예시들이며, 또 다른 실시예로써, 개방된 부분 없이 내부에 냉각 유로(300F)가 형성된 구조도 가능함은 물론이다.
본 실시예예 따른 냉각 유로(300F)는, 냉각 프레임(300)의 가장 바깥쪽에 각각 위치하는 좌측 냉각 유로(300L)와 우측 냉각 유로(300R) 및 좌측 냉각 유로(300L)와 우측 냉각 유로(300R) 사이에 위치하는 중앙 냉각 유로(300C)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 본 명세서에서 좌측은 -y축 방향을 지칭하고, 우측은 y축 방향을 지칭한다. 도 1 및 도 3을 다시 참고하면, 좌측 냉각 유로(300L), 우측 냉각 유로(300R) 및 중앙 냉각 유로(300C)는, 전지셀(110)의 길이 방향을 따라 뻗는 형태일 수 있다. 전지셀(110)의 길이 방향이라 함은, 전극리드(111, 112)가 돌출되는 방향과 평행한 방향으로써, x축 방향 또는 -x축 방향일 수 있다. 또한, 좌측 냉각 유로(300L), 우측 냉각 유로(300R) 및 중앙 냉각 유로(300C)는 각각 1개인 것으로 도시되어 있으나, 유로의 개수에 대한 특별한 제한은 없으므로, 각각이 복수로 구성될 수 있다.
유입부(310)를 통해 유입된 냉매는, 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 좌측 냉각 유로(300L) 또는 우측 냉각 유로(300R)를 따라 흐르고, 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐를 수 있다. 도 4는, 상기 냉매가 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 먼저 좌측 냉각 유로(300L)를 따라 흐르는 상태를 도시한 것이고, 도 5는, 상기 냉매가 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 먼저 우측 냉각 유로(300R)를 따라 흐르는 상태를 도시한 것이다.
제1 방향전환 스위치(300S1)는, 유입부(310)가 좌측 냉각 유로(300L)와 우측 냉각 유로(300R) 중 하나와 연결되도록 전환될 수 있다. 일례로, 중심부는 고정된 채, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 90도 회전할 수 있도록 구성되어, 냉매의 흐름을 전환할 수 있다.
마찬가지로, 제2 방향전환 스위치(300S2)는, 배출부(320)가 좌측 냉각 유로(300L)와 우측 냉각 유로(300R) 중 하나와 연결되도록 전환될 수 있다. 일례로, 중심부는 고정된 채, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 90도 회전할 수 있도록 구성되어, 냉매의 흐름을 전환할 수 있다.
유입부(310)가 좌측 냉각 유로(300L)와 연결될 경우, 배출부(320)는 우측 냉각 유로(300R)와 연결되는 것이 바람직하다. 반대로, 유입부(310)가 우측 냉각 유로(300R)와 연결될 경우, 배출부(320)는 좌측 냉각 유로(300L)와 연결되는 것이 바람직하다. 이러한 연결 형태를 형성하도록, 제1 방향전환 스위치(300S1)와 제2 방향전환 스위치(300S2)가 조절될 수 있다.
한편, 냉각 유로(300F)는, 좌측 냉각 유로(300L)와 중앙 냉각 유로(300C) 사이에 위치하는 좌심 냉각 유로(300LC) 및 우측 냉각 유로(300R)와 중앙 냉각 유로(300C) 사이에 위치하는 우심 냉각 유로(300RC)를 포함할 수 있다.
제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐른 상기 냉매는, 좌심 냉각 유로(300LC) 및 우심 냉각 유로(300RC) 중 적어도 하나를 따라 흐를 수 있다.
좌심 냉각 유로(300LC) 및 우심 냉각 유로(300RC) 중 적어도 하나를 따라 흐른 상기 냉매는, 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 우측 냉각 유로(300R) 또는 좌측 냉각 유로(300L)를 따라 흐르고, 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 배출부(320)를 통해 배출될 수 있다.
이하에서는, 도 4 및 도 5 각각의 경우에 따른, 냉매의 흐름에 대해 자세히 설명하도록 한다.
먼저, 도 4를 참고하면, 유입부(310)는 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 좌측 냉각 유로(300L)와 연결될 수 있고, 배출부(320)는 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 우측 냉각 유로(300R)와 연결될 수 있다.
유입부(310)를 통해 유입된 냉매는, 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 좌측 냉각 유로(300L)를 따라 흐른 뒤, 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐른다. 중앙 냉각 유로(300C)를 통과한 냉매는 좌심 냉각 유로(300LC) 및 우심 냉각 유로(300RC)를 따라 흐른 뒤 다시 모이고, 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 우측 냉각 유로(300R)를 따라 흐른다. 최종적으로 상기 냉매는, 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 배출부(320)를 통해 배출된다.
즉, 도 4의 경우는, 유입부(310)를 통해 유입된 냉매가 먼저 좌측 냉각 유로(300L)를 따라 흐른다. 좌측 냉각 유로(300L)의 냉매는, 이미 열교환이 상당 부분 이루어진 우측 냉각 유로(300R)의 냉매보다 온도가 낮다. 즉, 전지셀 적층체(120) 중 좌측 영역에 대해 냉각 성능을 높이고자 할 때, 본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)은 도 4와 같은 형태를 갖는다.
다음, 도 5를 참고하면, 유입부(310)는 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 우측 냉각 유로(300R)와 연결될 수 있고, 배출부(320)는 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 좌측 냉각 유로(300L)와 연결될 수 있다. 즉, 도 5의 제1 방향전환 스위치(300S1)와 제2 방향전환 스위치(300S2)는, 도 4의 경우와 비교하여, 시계방향으로 90도 회전된 상태이다.
유입부를(310) 통해 유입된 냉매는, 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 우측 냉각 유로(300R)를 따라 흐른 뒤, 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐른다. 중앙 냉각 유로(300C)를 통과한 냉매는 좌심 냉각 유로(300LC) 및 우심 냉각 유로(300RC)를 따라 흐른 뒤 다시 모이고, 제1 방향전환 스위치(300S1)에 의해 좌측 냉각 유로(300L)를 따라 흐른다. 최종적으로 상기 냉매는, 제2 방향전환 스위치(300S2)에 의해 배출부(320)를 통해 배출된다.
즉, 도 5의 경우는, 유입부(310)를 통해 유입된 냉매가 먼저 우측 냉각 유로(300R)를 따라 흐른다. 우측 냉각 유로(300R)의 냉매는, 이미 열교환이 상당 부분 이루어진 좌측 냉각 유로(300L)의 냉매보다 온도가 낮다. 즉, 전지셀 적층체(120) 중 우측 영역에 대해 냉각 성능을 높이고자 할 때, 본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)은 도 5와 같은 형태를 갖는다.
상기와 같이, 본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)에서, 먼저 좌측 냉각 유로(300L) 또는 우측 냉각 유로(300R)를 통과한 냉매가 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐르도록 구성된다. 제1 방향전환 스위치(300S1) 및 상기 제2 방향전환 스위치(300S2)가 전환됨에 따라, 유입된 냉매가 좌측 냉각 유로(300L)와 우측 냉각 유로(300R) 중 어느 하나를 먼저 흐를 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 제1 방향전환 스위치(300S1) 및 제2 방향전환 스위치(300S2)는, 주기적으로 방향이 변함으로써, 냉각 프레임(300)의 좌측 또는 우측에서 먼저 냉매가 흐를 수 있다. 전지셀 적층체(120)의 좌측 부분과 우측 부분에 대해 주기적으로 번갈아 가며 우선적으로 냉각되도록 구성되어, 전지셀(110)들 간의 온도 편차를 크게 줄일 수 있다. 전지셀(110)들 간의 온도 편차 해소는, 전지 모듈의 출력 향상 및 수명 증대 등과 같이, 성능 향상으로 이어질 수 있다.
또한, 전지셀 적층체(120)의 경우, 다수의 전지셀(110)이 적층되기 때문에 가장 안쪽에 위치한 전지셀(110)은 열 발산이 어렵다. 즉, 일반적으로, 전지셀 적층체(120)의 외곽부보다 중심부가 온도가 더 높다. 이 때, 본 실시예에 따른 냉각 프레임(300)에서, 유입된 냉매는, 좌측 냉각 유로(300L) 또는 우측 냉각 유로(300R)를 통과한 후 바로 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐른다. 비교적 열교환이 적게 이루어진, 즉 온도가 낮은 냉매가 중앙 냉각 유로(300C)를 따라 흐르도록 설계되어, 온도가 높은 전지셀 적층체(120)의 중심부에 대한 효과적인 열교환이 이루어지도록 하였다. 종국적으로, 냉각 성능이 향상되고, 전지셀들간의 온도 편차가 해소될 수 있다.
한편, 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지 모듈(100)의 좌측 부분과 우측 부분 각각의 온도를 측정하는 온도 센서(400)를 더 포함할 수 있다.
온도 센서에서 측정된 온도 정보를 토대로, 제1 방향전환 스위치(300S1)가 전지 모듈(100)의 좌측 부분과 우측 부분 중 온도가 더 높은 부분에 대응하는 냉각 유로에 상기 냉매를 우선 공급할 수 있다.
즉, 제1 방향전환 스위치(300S1) 및 제2 방향전환 스위치(300S2)가 일정한 간격으로 변환되는 것이 아니라, 온도 센서(400)를 통해 측정된 좌, 우 부분의 온도 데이터를 토대로 온도가 더 높은 부분에 냉매가 우선 전달될 수 있도록 그 변환이 제어될 수 있다.
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 수단에 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.
100: 전지 모듈
300: 냉각 프레임
310: 유입부
320: 배출부
300S1: 제1 방향전환 스위치
300S2: 제2 방향전환 스위치

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체;
    상기 전지셀 적층체가 수납되는 모듈 프레임; 및
    상기 모듈 프레임의 하부 또는 상부에 위치하고, 냉매가 흐르는 냉각 유로를 갖는 냉각 프레임을 포함하고,
    상기 냉각 프레임은, 상기 냉각 유로와 연결된 유입부 및 배출부를 포함하며,
    상기 유입부는 상기 냉각 프레임의 일측에 위치하고, 상기 배출부는 상기 냉각 프레임의 상기 일측의 반대편에 위치한 다른 일측에 위치하며,
    상기 유입부에는, 제1 방향전환 스위치가 배치되고,
    상기 배출부에는 제2 방향전환 스위치가 배치되는 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 냉각 유로는, 상기 냉각 프레임의 가장 바깥쪽에 각각 위치하는 좌측 냉각 유로와 우측 냉각 유로 및 상기 좌측 냉각 유로와 상기 우측 냉각 유로 사이에 위치하는 중앙 냉각 유로를 포함하는 전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 유입부를 통해 유입된 상기 냉매는, 상기 제1 방향전환 스위치에 의해 상기 좌측 냉각 유로 또는 상기 우측 냉각 유로를 따라 흐르고, 상기 제2 방향전환 스위치에 의해 상기 중앙 냉각 유로를 따라 흐르는 전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 냉각 유로는, 상기 좌측 냉각 유로와 상기 중앙 냉각 유로 사이에 위치하는 좌심 냉각 유로 및 상기 우측 냉각 유로와 상기 중앙 냉각 유로 사이에 위치하는 우심 냉각 유로를 포함하고,
    상기 제2 방향전환 스위치에 의해 상기 중앙 냉각 유로를 통과한 상기 냉매는, 상기 좌심 냉각 유로 및 상기 우심 냉각 유로 중 적어도 하나를 따라 흐르는 전지 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 좌심 냉각 유로 및 상기 우심 냉각 유로 중 적어도 하나를 따라 흐른 상기 냉매는, 상기 제1 방향전환 스위치에 의해 상기 우측 냉각 유로 또는 상기 좌측 냉각 유로를 따라 흐르고, 상기 제2 방향전환 스위치에 의해 상기 배출부를 통해 배출되는 전지 모듈.
  6. 제2항에서,
    상기 제1 방향전환 전환 스위치는, 상기 유입부가 상기 좌측 냉각 유로와 상기 우측 냉각 유로 중 하나와 연결되도록 전환되는 전지 모듈.
  7. 제2항에서,
    상기 제2 방향전환 전환 스위치는, 상기 배출부가 상기 좌측 냉각 유로와 상기 우측 냉각 유로 중 하나와 연결되도록 전환되는 전지 모듈.
  8. 제2항에서,
    상기 좌측 냉각 유로, 상기 우측 냉각 유로 및 상기 중앙 냉각 유로는, 상기 전지셀의 길이 방향을 따라 뻗는 전지 모듈.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 방향전환 스위치 및 상기 제2 방향전환 스위치는, 주기적으로 방향이 변함으로써, 상기 냉각 프레임의 좌측 또는 우측에서 먼저 상기 냉매가 흐르도록 하는 전지 모듈.
  10. 제1항에서,
    상기 전지 모듈의 좌측 부분과 우측 부분 각각의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 온도 센서에서 측정된 온도 정보를 토대로, 상기 제1 방향전환 스위치가 상기 전지 모듈의 좌측 부분과 우측 부분 중 온도가 더 높은 부분에 대응하는 냉각 유로에 상기 냉매를 우선 공급하는 전지 모듈.
  11. 제1항에 따른 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
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