WO2021221340A1 - 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2021221340A1
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battery
module
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battery module
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장병도
김동현
천용호
이형석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a device including the same, and more particularly, to a battery pack with improved safety and a device including the same.
  • a rechargeable battery capable of charging and discharging is a method to solve air pollution such as conventional gasoline vehicles using fossil fuels, and electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles ( P-HEV) is being used as a power source, and the need for the development of secondary batteries is increasing.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have almost no memory effect compared to nickel-based secondary batteries, so charging and discharging are free and easy. , the self-discharge rate is very low and the energy density is high.
  • Such a lithium secondary battery mainly uses a lithium-based oxide and a carbon material as a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate to which the positive electrode active material and the negative electrode active material are respectively applied with a separator interposed therebetween, and a battery case in which the electrode assembly is sealed and accommodated together with an electrolyte.
  • a lithium secondary battery may be classified into a can-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a metal can and a pouch-type secondary battery in which an electrode assembly is embedded in a pouch of an aluminum laminate sheet according to the shape of the exterior material.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are electrically connected this is used in such a battery module, a plurality of battery cells are connected in series or parallel to each other to form a battery cell stack, thereby improving capacity and output.
  • one or more battery modules may be mounted together with various control and protection systems such as a Battery Disconnect Unit (BDU), a Battery Management System (BMS), and a cooling system to form a battery pack.
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • BMS Battery Management System
  • a cooling system to form a battery pack.
  • a plurality of secondary batteries that is, a battery module or battery pack having battery cells, may have a higher temperature more rapidly and severely because heat emitted from the plurality of battery cells is added up in a narrow space.
  • a battery module in which a plurality of battery cells are stacked and a battery pack equipped with such a battery module, high output can be obtained, but it is not easy to remove heat generated from the battery cells during charging and discharging. If the heat dissipation of the battery cell is not performed properly, the deterioration of the battery cell is accelerated, the lifespan is shortened, and the possibility of explosion or ignition increases.
  • a battery module included in a vehicle battery pack it may be frequently exposed to direct sunlight, and may be subjected to high temperature conditions such as summer or desert areas. Therefore, when configuring a battery module or a battery pack, it can be said that it is very important to secure a stable and effective cooling performance.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery pack.
  • a conventional battery pack 10 includes a plurality of battery modules 1 including a plurality of battery cells, a refrigerant pipe 2 for supplying refrigerant to the battery module 1 , and a battery module 1 .
  • HV (High Voltage) line (3) for connecting BDU (Battery Disconnect Unit) and LV (Low Voltage) line (4) for connecting with battery module (1) and BMS (Battery Management System).
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • LV Low Voltage line
  • BMS Battery Management System
  • the battery module 1 may be configured in two layers, and refrigerant leakage may occur from the refrigerant pipe 2 supplying the refrigerant to the battery module 1 located on the upper part. .
  • refrigerant leakage may occur from the refrigerant pipe 2 supplying the refrigerant to the battery module 1 located on the upper part.
  • An object of the present invention is to provide a battery module having improved safety and a battery pack including the same.
  • a battery pack includes: a plurality of battery modules including a battery cell stack in which a plurality of battery cells are stacked; a pack frame for accommodating the battery module; an HV line connected to the terminal bus bar of the battery module; an LV line connected to the sensing assembly of the battery module; and a pack refrigerant pipe for supplying a refrigerant to the battery module.
  • the terminal bus bar is connected to the battery cell, the sensing assembly measures the temperature and voltage of the battery cell, and the HV line and the LV line are located above the pack refrigerant pipe.
  • the battery pack may further include a pack refrigerant tube housing for accommodating the pack refrigerant tube.
  • It may further include a housing cover covering the open upper side of the pack refrigerant tube housing, the HV line and the LV line may be located above the housing cover.
  • the plurality of battery modules may include a first battery module and a second battery module facing each other in a direction in which the battery cells are stacked.
  • the battery pack may further include a Battery Disconnect Unit (BDU) module connected to at least one of the HV lines to control electrical connection of the plurality of battery modules.
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • the HV line connected to the BDU module may be positioned between the first battery module and the second battery module.
  • the battery pack may further include a Battery Management System (BMS) module connected to at least one of the LV lines to monitor and control the operation of the plurality of battery modules.
  • BMS Battery Management System
  • the LV line connected to the BMS module may be positioned between the first battery module and the second battery module.
  • the battery module may further include a module connector connecting the sensing assembly and the LV line.
  • the battery module further includes end plates positioned on opposite sides of the module frame corresponding to each other open, and an opening is formed in the end plate to expose the terminal bus bar and the module connector, and the first battery module and Each of the second battery modules is configured by two, the two first battery modules may be disposed to face the end plates, and the two second battery modules may be disposed to face the end plates.
  • the safety of the battery pack may be improved by simplifying the arrangement of the HV line and the LV line and arranging the HV line and the LV line at a stable position.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional battery pack.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery module included in the battery pack of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a partial perspective view showing an enlarged portion "A" of FIG.
  • FIG. 6 is a plan view of the battery pack of FIG. 2 viewed on the xy plane.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a cross-section taken along the cutting line B of FIG. 6 .
  • a part of a layer, film, region, plate, etc. when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” or “on” another part, it includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where there is another part in between. . Conversely, when we say that a part is “just above” another part, we mean that there is no other part in the middle.
  • the reference part means to be located above or below the reference part, and to necessarily mean to be located “on” or “on” in the direction opposite to gravity no.
  • planar it means when the target part is viewed from above, and "in cross-section” means when viewed from the side when a cross-section of the target part is vertically cut.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a perspective view of a battery module included in the battery pack of FIG. 2 .
  • 4 is an exploded perspective view of the battery module of FIG. 3 .
  • the battery pack 1000 includes a plurality of battery modules 100 , a pack frame 1100 accommodating the battery modules 100 , and a battery module 100 . ) and a pack refrigerant pipe 600 for supplying refrigerant to the HV line 800 and the LV line 900 connected to the battery module 100 and the battery module 100 .
  • the battery module 100 includes a battery cell stack 120 in which a plurality of battery cells 110 are stacked, a terminal bus bar connected to the battery cells 110 and a sensing assembly for measuring the temperature and voltage of the battery cells 110 .
  • the battery cell 110 may be a pouch-type battery cell.
  • a pouch-type battery cell may be formed by accommodating an electrode assembly in a pouch case of a laminate city including a resin layer and a metal layer, and then thermally sealing the outer periphery of the pouch case.
  • the battery cell 110 may be formed in a rectangular sheet-like structure.
  • the battery cells 110 may be configured in plurality, and the plurality of battery cells 110 are stacked to be electrically connected to each other to form the battery cell stack 120 .
  • a plurality of battery cells 110 may be stacked along the x-axis direction.
  • the module frame 200 accommodating the battery cell stack 120 may include an upper cover 220 and a U-shaped frame 210 .
  • the U-shaped frame 210 may include a bottom portion 210a and two side portions 210b extending upward from both ends of the bottom portion 210a.
  • the bottom portion 210a may cover a lower surface (opposite the z-axis direction) of the battery cell stack 120 , and the side portion 210b is formed on both sides of the battery cell stack 120 (in the x-axis direction and the opposite direction). ) can be covered.
  • the upper cover 220 may be formed in a plate-shaped structure that covers the lower surface covered by the U-shaped frame 210 and the upper surface (z-axis direction) other than the both sides.
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may form a structure that covers the battery cell stack 120 up, down, left, and right by being coupled by welding or the like in a state in which the corresponding corner portions are in contact with each other.
  • the battery cell stack 120 may be physically protected through the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 .
  • the upper cover 220 and the U-shaped frame 210 may include a metal material having a predetermined strength.
  • the module frame 200 may be a mono frame in the form of a metal plate in which the upper surface, the lower surface and both sides are integrated. That is, the U-shaped frame 210 and the upper cover 220 are not mutually coupled to each other, but may be manufactured by extrusion molding to have a structure in which the upper surface, the lower surface, and both sides are integrated.
  • the end plate 400 may be formed to cover the battery cell stack 120 by being located on both open sides (y-axis direction and the opposite direction) of the module frame 200 corresponding to each other.
  • the end plate 400 may physically protect the battery cell stack 120 and other electrical components from external impact.
  • the battery module 100 may include a heat sink 300 positioned below the bottom portion 210a of the module frame 200 , and supplies a refrigerant to the heat sink 300 through the cooling port 500 , , the refrigerant may be discharged from the heat sink 300 .
  • the cooling port 500 may include a refrigerant injection port 500a and a refrigerant discharge port 500b that are spaced apart from each other.
  • the pack refrigerant pipe 600 may include a pack refrigerant supply pipe and a pack refrigerant discharge pipe, and a refrigerant injection port 500a and a refrigerant discharge port 500b may be connected to the pack refrigerant supply pipe and the pack refrigerant discharge pipe, respectively.
  • the module frame 200 may include a module frame protrusion 211 formed so that the bottom portion 210a of the module frame 200 extends and passes through the end plate 400 . At this time, the refrigerant introduced and discharged by the cooling port 500 connected to the upper surface of the module frame protrusion 211 is supplied to and from the heat sink 300 through the module frame protrusion 211 . can be emitted.
  • the cooling port 500 includes a refrigerant injection port 500a for supplying a refrigerant to the heat sink 300 and a refrigerant discharge port 500b for discharging the refrigerant from the heat sink 300 .
  • the refrigerant injection port (500a) and the refrigerant discharge port (500b) may be respectively connected to the pack refrigerant pipe (600).
  • the module frame protrusion 211 may include a first module frame protrusion and a second module frame protrusion positioned to be spaced apart from each other on one side of the module frame 200 , and the refrigerant injection port 500a is disposed on the first module frame protrusion. is disposed, the refrigerant discharge port (500b) may be disposed on the second module frame protrusion.
  • the pack refrigerant pipe 600 may supply the refrigerant to the battery module 100 or discharge the refrigerant from the battery module 100 .
  • terminal bus bar 710 and the sensing assembly 730 will be described in detail with reference to FIG. 5 and the like.
  • FIG. 5 is a partial perspective view showing an enlarged portion "A" of FIG.
  • the battery module 100 may include a terminal bus bar connected to the battery cell 110 and a sensing assembly for measuring the temperature and voltage of the battery cell. .
  • the battery module 100 may include a bus bar frame 700 positioned in the protruding direction of the electrode lead 111 protruding from the battery cell 110 .
  • a terminal bus bar 710 , a bus bar 720 , a sensing assembly 730 , and a module connector 740 may be mounted on the bus bar frame 700 .
  • the bus bar 720 serves to electrically connect the battery cells 110 included in the battery cell stack 120 .
  • the electrode lead 111 of the battery cell 110 may pass through the slit formed in the bus bar frame 700 and then be bent to be connected to the bus bar 720 . Accordingly, the battery cells 110 may be connected in series or in parallel.
  • the terminal bus bar 710 is connected to the electrode lead 111 of the battery cell 110 , one end is exposed to the outside of the battery module 100 , and the battery cell 110 is electrically connected through the bus bar 720 . ) can be in charge of connecting them to the outside world.
  • the terminal bus bar 710 may be connected to an HV line 800 to be described later, and may be electrically connected to another battery module 100 or may be connected to a Battery Disconnect Unit (BDU) module.
  • BDU Battery Disconnect Unit
  • a method of connecting the electrode lead 111 and the bus bar 720 or a method of connecting the electrode lead 111 and the terminal bus bar 710 is not particularly limited, and a method such as welding may be applied.
  • the sensing assembly 730 may include sensors to measure the temperature or voltage of the battery cell 110 .
  • 5 shows a sensing assembly 730 including sensors in contact with the bus bar 720 to measure the voltage of the battery cell 110 .
  • the sensing assembly 730 may be connected to the module connector 740 .
  • the sensing assembly 730 may be connected to an LV line 900 to be described later through a module connector 740 to be connected to a Battery Management System (BMS) module.
  • BMS Battery Management System
  • HV line 800 and the LV line 900 will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7 .
  • FIG. 6 is a plan view of the battery pack of FIG. 2 viewed on the xy plane
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the cutting line B of FIG. 6 .
  • the battery pack 1000 includes the HV line 800 connected to the terminal bus bar 710 of the battery module 100 and the sensing assembly of the battery module 100 ( It includes an LV line 900 connected to 730 .
  • the battery pack 1000 is connected to at least one of the HV line 800 to control the electrical connection of a plurality of battery modules, at least one of a BDU (Battery Disconnect Unit) module 1200 and an LV line 900 and It may further include a battery management system (BMS) module 1300 connected to monitor and control the operation of the plurality of battery modules 100 .
  • BMS battery management system
  • Each of the battery modules 100 may be electrically connected to each other through the HV line 800 , and may finally be connected to the BDU module 1200 through the HV line 800 .
  • the BDU module 1200 is located between the battery module 100 and the inverter and is a module composed of a relay, a resistor, and the like.
  • the BDU module 1200 serves to stably supply or cut off power to the electric power system of the vehicle and to protect the electric power system of the vehicle when an accident current occurs.
  • Each battery module 100 is connected to the BMS module 1300 through the LV line 900, and the measured temperature or voltage data for the battery cell 110 inside the battery module 100 is transferred to the BMS module 1300. can be forwarded to The BMS module 1300 serves to manage the temperature or voltage of each battery module 100 based on the measured temperature or voltage data.
  • the BMS module 1300 serves to manage the temperature or voltage of each battery module 100 based on the measured temperature or voltage data.
  • one LV line 900 is illustrated between the first battery module 100a and the second battery module 100b for convenience of explanation, but as in FIG. 7 , two LV lines are designed according to the design. (900). That is, there is no particular limitation on the number of LV lines 900 according to the present embodiment, and the number may vary depending on the design of the battery pack.
  • the HV line 800 and the LV line 900 are located above the pack refrigerant pipe 600 , and in more detail, a housing cover 620 to be described later. ) can be located above the
  • the battery pack 1000 may be applied to transportation means such as an electric vehicle or a hybrid, and a refrigerant such as coolant may leak due to an assembly defect or an accident while driving. According to this embodiment, even if the refrigerant leaks from the pack refrigerant pipe 600 , the leaked refrigerant contacts the HV line 800 and the LV line 900 to prevent a short circuit from occurring.
  • the insulation performance of the battery pack 1000 may be improved.
  • the refrigerant leaked from the refrigerant pipe (2) comes into contact with the HV line (3) or the LV line (4) located below, and can be compared with the conventional battery pack 10 in which there is a risk of a short circuit. have.
  • the battery pack 1000 further includes a pack refrigerant tube housing 610 accommodating the pack refrigerant tube 600 and a housing cover 620 covering the open upper side of the pack refrigerant tube housing 610 .
  • the pack refrigerant tube housing 610 and the housing cover 620 may be connected along the pack refrigerant tube 600 .
  • the refrigerant leaked from the pack refrigerant pipe 600 may penetrate into a plurality of components constituting the battery pack 1000 and cause a fire or explosion.
  • the pack refrigerant pipe housing 610 and the housing cover 620 according to the present embodiment are connected along the pack refrigerant pipe 600, and it is possible to prevent the leaked refrigerant from penetrating into other parts.
  • the HV line 3 or the LV line 4 is complicatedly configured, and the LV line 4 is a pack housing (not shown). Since it is located near the edge of the , there is a high possibility of a short circuit in the event of an external shock or vibration.
  • the battery module 100 is a first battery module facing each other in a direction in which the battery cells 110 are stacked (a direction parallel to the x-axis). It may include a (100a) and a second battery module (100b). Each of the first battery module 100a and the second battery module 100b is configured by two, so that a total of four battery modules 100 may be tiled. In addition, the two first battery modules 100a may be disposed to face the end plates 400 , and the two second battery modules 100b may also be disposed to face the end plates 400 . An opening is formed in the end plate 400 to expose the terminal bus bar 710 connected to the HV line 800 and the module connector 740 connected to the LV line 900 .
  • the two first battery modules 100a are arranged to face each other, and the two second battery modules 100b are arranged with the end plates 400 .
  • the HV line 800 and the LV line 900 connected to the four battery modules 100 can be simplified and efficiently arranged.
  • the HV line 800 connected to the BDU module 1200 may be located between the first battery module 100a and the second battery module 100b, and the LV line 900 connected to the BMS module 1300. may be positioned between the first battery module 100a and the second battery module 100b. That is, the HV line 800 and the LV line 900 are positioned at the center of the plurality of battery modules 100 so that they are not greatly affected by external shocks and the like. Accordingly, it is possible to reduce the possibility of a short circuit with respect to the HV line 800 and the LV line 900 , and improve the insulation performance and safety of the battery pack 1000 .
  • the bottom part 210a of the module frame 200 constitutes an upper plate of the heat sink 300 , and the recessed part 340 of the heat sink 300 and the module frame 200 .
  • the bottom portion 210a of the may form a flow path of the refrigerant.
  • the heat sink 300 is formed under the module frame 200 , and the heat sink 300 forms a skeleton of the heat sink 300 and is welded to the bottom portion 210a of the module frame 200 . It may include a lower plate 310 that is directly coupled to each other, and a depression 340 that is a path through which the refrigerant flows. Also, the heat sink 300 may include a heat sink protrusion 300P protruding from one side of the heat sink 300 to a portion where the module frame protrusion 211 is located.
  • the heat sink protrusion 300P and the module frame protrusion 211 may be directly coupled to each other by welding or the like.
  • the recessed portion 340 of the heat sink 300 corresponds to a portion in which the lower plate 310 is recessed downward.
  • the recessed portion 340 may be a U-shaped tube having a cross section cut vertically in the xz plane or the yz plane based on the direction in which the coolant flow path extends, and the bottom portion 210a may be located on the open upper side of the U-shaped tube.
  • the space between the recessed portion 340 and the bottom portion 210a becomes a region through which the coolant flows, that is, a flow path of the coolant. Accordingly, the bottom portion 210a of the module frame 200 may be in direct contact with the refrigerant.
  • the recessed part 340 of the heat sink 300 there is no particular limitation on the manufacturing method of the recessed part 340 of the heat sink 300, but by providing a structure recessed with respect to the plate-shaped heat sink 300, the U-shaped recessed part 340 with an open upper side may be formed.
  • This depression 340 may lead from one of the heat sink protrusions 300P to the other.
  • the refrigerant supplied through the refrigerant injection port 500a is first introduced into the space between the depression 340 and the bottom 210a through between the first module frame protrusion and the heat sink protrusion 300P. Thereafter, the refrigerant moves along the depression 340, passes between the second module frame protrusion and the heat sink protrusion 300P, and is discharged through the refrigerant discharge port 500b.
  • a thermally conductive resin layer including a thermally conductive resin may be positioned between the bottom 210a of the module frame 200 of FIG. 4 and the battery cell stack 120 .
  • the thermally conductive resin layer may be formed by applying a thermally conductive resin to the bottom portion 210a, and curing the applied thermally conductive resin.
  • the thermally conductive resin may include a thermally conductive adhesive material, and specifically, may include at least one of a silicone material, a urethane material, and an acrylic material.
  • the thermally conductive resin may serve to fix one or more battery cells 110 constituting the battery cell stack 120 by being liquid during application or curing after application. In addition, heat generated in the battery cell 110 can be quickly transferred to the lower side of the battery module because of its excellent thermal conductivity.
  • the battery module 100 implements a cooling integrated structure of the module frame 200 and the heat sink 300 to further improve cooling performance. Since the bottom portion 210a of the module frame 200 serves to correspond to the top plate of the heat sink 300 , a cooling integrated structure may be implemented. The cooling efficiency increases due to direct cooling, and the battery module 100 and the battery pack in which the battery module 100 is mounted through a structure in which the heat sink 300 is integrated with the bottom part 210a of the module frame 200 ( 1000), the space utilization rate can be further improved.
  • the heat generated in the battery cell 110 is a thermally conductive resin layer (not shown) positioned between the battery cell stack 120 and the bottom part 210a, the bottom part 210a of the module frame 200, It may be transferred to the outside of the battery module 100 through the refrigerant.
  • the heat transfer path is simplified and the air gap between each layer can be reduced, so that the cooling efficiency or performance can be increased.
  • the bottom portion 210a is constituted by the upper plate of the heat sink 300 and the bottom portion 210a directly contacts the coolant, there is an advantage that more direct cooling is possible through the coolant.
  • the height of the battery module 100 is reduced through the removal of the unnecessary cooling structure, thereby making it possible to reduce costs and increase space utilization. Furthermore, since the battery module 100 can be arranged compactly, the capacity or output of the battery pack 1000 including a plurality of the battery modules 100 can be increased.
  • the bottom portion 210a of the module frame 200 may be joined to a portion of the lower plate 310 in which the recessed portion 340 is not formed in the heat sink 300 by welding.
  • the above-described cooling performance is improved as well as the battery cell stack 120 accommodated in the module frame 200 . It may have the effect of supporting the load of the battery module 100 and reinforcing the rigidity of the battery module 100 .
  • the lower plate 310 and the bottom portion 210a of the module frame 200 are sealed through welding, etc., so that the refrigerant can flow through the depression 340 formed inside the lower plate 310 without leakage. have.
  • the recessed portion 340 is formed over the entire area corresponding to the bottom portion 210a of the module frame 200 .
  • the recessed portion 340 may be bent at least once and lead from one side to the other.
  • the depression portion 340 is preferably bent several times. As the refrigerant moves from the start point to the end point of the refrigerant passage formed over the entire area corresponding to the bottom 210a of the module frame 200, efficient cooling of the entire area of the battery cell stack 120 can be achieved. .
  • a protrusion pattern 340D may be formed in the recessed portion 340 of the heat sink 300 according to the present exemplary embodiment.
  • the width of the refrigerant passage may be formed to be wider, so that the temperature deviation may be more severe.
  • the large-area battery module it may include a case in which about 32 to 48 battery cells are stacked in one battery module compared to the case in which about 12 to 24 battery cells are stacked in one battery module. .
  • the protrusion pattern 340D according to the present embodiment has an effect of substantially reducing the width of the cooling passage, thereby minimizing the pressure drop and reducing the temperature deviation between the widths of the refrigerant passage. Therefore, it is possible to implement a uniform cooling effect.
  • the refrigerant is a medium for cooling, and there is no particular limitation, but may be cooling water.
  • the battery module or battery pack may be applied to various devices. Specifically, it may be applied to transportation means such as an electric bicycle, an electric vehicle, a hybrid, etc., but is not limited thereto and may be applied to various devices that can use a secondary battery.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩은, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체를 포함하는 복수의 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 상기 전지 모듈의 단자 버스바와 연결된 HV 라인; 상기 전지 모듈의 센싱 어셈블리와 연결된 LV 라인; 및 상기 전지 모듈에 냉매를 공급하는 팩 냉매관을 포함한다. 상기 단자 버스바는 상기 전지셀과 연결되고, 상기 센싱 어셈블리는 전지셀의 온도와 전압을 측정하며, 상기 HV 라인과 상기 LV 라인은 상기 팩 냉매관보다 상부에 위치한다.

Description

전지팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 4월 29일자 한국 특허 출원 제10-2020-0052250호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 안전성이 향상된 전지팩 및 이를 포함하는 디바이스에 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 BDU(Battery Disconnect Unit), 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 전지 셀을 구비한 전지 모듈이나 전지팩은 좁은 공간에서 다수의 전지 셀로부터 나오는 열이 합산되어 온도가 더욱 빠르고 심하게 올라갈 수 있다. 다시 말해서, 다수의 전지 셀이 적층된 전지 모듈과 이러한 전지 모듈이 장착된 전지팩의 경우, 높은 출력을 얻을 수 있지만, 충전 및 방전 시 전지 셀에서 발생하는 열을 제거하는 것이 용이하지 않다. 전지 셀의 방열이 제대로 이루어지지 않을 경우 전지 셀의 열화가 빨라지면서 수명이 짧아지게 되고, 폭발이나 발화의 가능성이 커지게 된다.
더욱이, 차량용 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈의 경우, 직사광선에 자주 노출되고, 여름철이나 사막 지역과 같은 고온 조건에 놓여질 수 있다. 따라서, 전지 모듈이나 전지팩을 구성하는 경우, 안정적이면서도 효과적인 냉각 성능을 확보하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
도 1은 종래의 전지팩에 대한 사시도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 전지팩(10)은 복수의 전지셀을 포함하는 복수의 전지 모듈(1), 전지 모듈(1)에 냉매를 공급하기 위한 냉매관(2), 전지 모듈(1)과 BDU(Battery Disconnect Unit)를 연결하기 위한 HV(High Voltage) 라인(3) 및 전지 모듈(1)과 BMS(Battery Management System)와 연결하기 위한 LV(Low Voltage) 라인(4)을 포함할 수 있다. 전지 모듈(1) 내부의 전지셀이 전기에너지를 만들어 내며 열을 발산하는데, 냉매관(2)이 전지 모듈(1)의 주변에 냉매를 공급함으로써, 냉각이 이루어질 수 있다.
이때, 종래의 전지팩(10)은 전지 모듈(1)이 2층으로 구성될 수 있는데, 상부에 위치한 전지 모듈(1)에 냉매를 공급하는 냉매관(2)으로부터 냉매의 누설이 발생할 수 있다. 냉매관(2)보다 아래에 위치한 HV 라인(3)이나 LV 라인(4)에 누설된 냉매가 닿을 경우, 단락이 발생할 수 있다.
또한, 종래의 전지팩(10)에서 LV 라인(4)은 팩 하우징(도시하지 않음)과 가까운 가장자리에 위치하기 때문에 외부 충격이나 진동이 일어날 경우, 단락이 발생할 가능성이 높다.
냉매의 누설이나 외부 충격 등으로 인한 상기 단락의 경우, 폭발이나 발화로 이어질 가능성이 있기 때문에, 냉각 성능을 가지면서 안전성이 향상된 전지팩에 대한 개발이 중요하다고 할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 향상된 안전성을 갖는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
다만, 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, 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체를 포함하는 복수의 전지 모듈; 상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임; 상기 전지 모듈의 단자 버스바와 연결된 HV 라인; 상기 전지 모듈의 센싱 어셈블리와 연결된 LV 라인; 및 상기 전지 모듈에 냉매를 공급하는 팩 냉매관을 포함한다. 상기 단자 버스바는 상기 전지셀과 연결되고, 상기 센싱 어셈블리는 전지셀의 온도와 전압을 측정하며, 상기 HV 라인과 상기 LV 라인은 상기 팩 냉매관보다 상부에 위치한다.
상기 전지팩은 상기 팩 냉매관을 수납하는 팩 냉매관 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 팩 냉매관 하우징의 개방된 상측을 덮는 하우징 커버를 더 포함할 수 있고, 상기 HV 라인과 상기 LV 라인은 상기 하우징 커버보다 상부에 위치할 수 있다.
상기 복수의 전지 모듈은, 상기 전지셀이 적층되는 방향으로 서로 마주보는 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈을 포함할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 HV 라인 중 적어도 하나와 연결되어 상기 복수의 전지 모듈의 전기적 연결을 제어하는 BDU(Battery Disconnect Unit) 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 BDU 모듈과 연결된 상기 HV 라인은 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 사이에 위치할 수 있다.
상기 전지팩은, 상기 LV 라인 중 적어도 하나와 연결되어 상기 복수의 전지 모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery Management System) 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 BMS 모듈과 연결된 상기 LV 라인은 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 사이에 위치할 수 있다.
상기 전지 모듈은 상기 센싱 어셈블리와 상기 LV 라인을 연결하는 모듈 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 개방된 서로 대응하는 양측에 위치한 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 엔드 플레이트에 개구가 형성되어, 상기 단자 버스바와 상기 모듈 커넥터가 노출되며, 상기 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈은 각각 2개씩 구성되어, 2개의 제1 전지 모듈은 상기 엔드 플레이트끼리 마주보도록 배치될 수 있고, 2개의 제2 전지 모듈은 상기 엔드 플레이트끼리 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, HV 라인 및 LV 라인의 배치를 단순화하고, 안정적인 위치에 배치함으로써, 전지팩의 안전성을 향상시킬 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 종래의 전지팩에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지팩에 포함된 전지 모듈에 대한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 6은 도 2의 전지팩을 xy평면 상에서 바라본 평면도이다.
도 7은 도 6의 절단선 B를 따라 자른 단면의 단면도이다.
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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩에 대한 사시도이다. 도 3은 도 2의 전지팩에 포함된 전지 모듈에 대한 사시도이다. 도 4는 도 3의 전지 모듈에 대한 분해 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지팩(1000)은, 복수의 전지 모듈(100), 전지 모듈(100)을 수납하는 팩 프레임(1100), 전지 모듈(100)과 연결된 HV 라인(800) 및 전지 모듈(100)과 연결된 LV 라인(900) 및 전지 모듈(100)에 냉매를 공급하는 팩 냉매관(600)을 포함한다. 전지 모듈(100)은 복수의 전지셀(110)이 적층된 전지셀 적층체(120), 전지셀(110)과 연결된 단자 버스바 및 전지셀(110)의 온도와 전압을 측정하는 센싱 어셈블리를 포함한다.
먼저, 전지셀(110)은 파우치형 전지셀일 수 있다. 이러한 파우치형 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시티의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 열융착하여 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)은 장방형의 시트형 구조로 형성될 수 있다.
이러한 전지셀(110)은 복수개로 구성될 수 있으며, 복수의 전지셀(110)은 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 적층되어 전지셀 적층체(120)를 형성한다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이 x축 방향을 따라 복수의 전지셀(110)이 적층될 수 있다.
전지셀 적층체(120)를 수납하는 모듈 프레임(200)은 상부 커버(220) 및 U자형 프레임(210)을 포함할 수 있다.
U자형 프레임(210)은 바닥부(210a) 및 바닥부(210a)의 양 단부에서 상향 연장된 2개의 측면부(210b)를 포함할 수 있다. 바닥부(210a)는 전지셀 적층체(120)의 하면(z축 반대 방향)을 커버할 수 있고, 측면부(210b)는 전지셀 적층체(120)의 양 측면(x축 방향과 그 반대 방향)을 커버할 수 있다.
상부 커버(220)는 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지는 상기 하면 및 상기 양 측면을 제외한 나머지 상면(z축 방향)을 감싸는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합됨으로써, 전지셀 적층체(120)를 상하좌우로 커버하는 구조를 형성할 수 있다. 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)을 통해 전지셀 적층체(120)를 물리적으로 보호할 수 있다. 이를 위해 상부 커버(220)와 U자형 프레임(210)는 소정의 강도를 갖는 금속 재질을 포함할 수 있다.
한편, 구체적으로 도시하지 않았으나, 변형예에 따른 모듈 프레임(200)은 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 금속 판재 형태의 모노 프레임일 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 커버(220)가 상호 결합되는 구조가 아니라, 압출 성형으로 제조되어 상면, 하면 및 양 측면이 일체화된 구조일 수 있다.
엔드 플레이트(400)는 모듈 프레임(200)의 개방된 서로 대응하는 양측(y축 방향과 그 반대 방향)에 위치하여 전지셀 적층체(120)를 커버하도록 형성될 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(400)는 외부의 충격으로부터 전지셀 적층체(120) 및 기타 전장품을 물리적으로 보호할 수 있다.
전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 아래에 위치하는 히트 싱크(300)를 포함할 수 있고, 냉각 포트(500)를 통해 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하고, 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출할 수 있다. 구체적으로, 냉각 포트(500)는 서로 이격되어 위치하는 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)를 포함할 수 있다. 팩 냉매관(600)은 팩 냉매 공급관과 팩 냉매 배출관을 포함할 수 있고, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)가 각각 상기 팩 냉매 공급관과 상기 팩 냉매 배출관에 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 모듈 프레임(200)은, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 연장되어 엔드 플레이트(400)를 지나도록 형성된 모듈 프레임 돌출부(211)를 포함할 수 있다. 이때, 모듈 프레임 돌출부(211)의 상면부와 연결되는 냉각 포트(500)에 의해 유입 및 배출되는 냉매가, 모듈 프레임 돌출부(211)를 통해 히트 싱크(300)로 공급 및 히트 싱크(300)로부터 배출될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 냉각 포트(500)는, 히트 싱크(300)에 냉매를 공급하는 냉매 주입 포트(500a)와 히트 싱크(300)로부터 냉매를 배출하는 냉매 배출 포트(500b)를 포함하고, 냉매 주입 포트(500a)와 냉매 배출 포트(500b)는 팩 냉매관(600)과 각각 연결될 수 있다. 모듈 프레임 돌출부(211)는 모듈 프레임(200) 일측에서 서로 이격되어 위치하는 제1 모듈 프레임 돌출부와 제2 모듈 프레임 돌출부를 포함할 수 있고, 냉매 주입 포트(500a)는 상기 제1 모듈 프레임 돌출부 상에 배치되고, 냉매 배출 포트(500b)는 상기 제2 모듈 프레임 돌출부 상에 배치될 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해 팩 냉매관(600)이 전지 모듈(100)에 냉매를 공급하거나 전지 모듈(100)로부터 냉매를 배출할 수 있다.
이하에서는, 도 5 등을 참고하여, 단자 버스바(710)와 센싱 어셈블리(730)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 도 4의 “A”부분을 확대하여 나타낸 부분 사시도이다.
도 2, 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 전지셀(110)과 연결된 단자 버스바 및 전지셀의 온도와 전압을 측정하는 센싱 어셈블리를 포함할 수 있다.
구체적으로, 전지 모듈(100)은 전지셀(110)로부터 돌출되어 나오는 전극 리드(111)의 돌출 방향에 위치한 버스바 프레임(700)을 포함할 수 있다. 버스바 프레임(700)에는 단자 버스바(710), 버스바(720), 센싱 어셈블리(730) 및 모듈 커넥터(740)가 장착될 수 있다.
버스바(720)는 전지셀 적층체(120)에 포함된 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하는 기능을 담당한다. 전지셀(110)의 전극 리드(111)가 버스바 프레임(700)에 형성된 슬릿을 통과한 뒤 구부러져 버스바(720)와 연결될 수 있다. 이에 따라 전지셀(110)들이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
단자 버스바(710)는 전지셀(110)의 전극 리드(111)와 연결되고, 일 단부가 전지 모듈(100)의 외측으로 노출되어, 버스바(720)을 통해 전기적으로 연결된 전지셀(110)들을 외부와 연결하는 기능을 담당할 수 있다. 단자 버스바(710)는 후술하는 HV 라인(800)과 연결되어, 다른 전지 모듈(100)과 전기적으로 연결되거나, BDU(Battery Disconnect Unit) 모듈에 연결될 수 있다.
전극 리드(111)와 버스바(720)의 연결 방법이나 전극 리드(111)와 단자 버스바(710)의 연결 방법에는 특별한 제한이 없으며, 용접 등의 방법이 적용될 수 있다.
센싱 어셈블리(730)는 센서들을 포함하여, 전지셀(110)의 온도나 전압을 측정할 수 있다. 도 5에는 전지셀(110)의 전압을 측정하기 위해 버스바(720)와 접촉된 센서들을 포함하는 센싱 어셈블리(730)가 도시되어 있다. 이러한 센싱 어셈블리(730)는 모듈 커넥터(740)와 연결될 수 있다. 센싱 어셈블리(730)는 모듈 커넥터(740)를 통해 후술하는 LV 라인(900)과 연결되어, BMS(Battery Management System) 모듈에 연결될 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7 등을 참고하여, HV 라인(800)과 LV 라인(900)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 도 2의 전지팩을 xy평면 상에서 바라본 평면도이고, 도 7은 도 6의 절단선 B를 따라 자른 단면의 단면도이다.
도 2, 도 5, 도 6 및 도 7을 참고하면, 전지팩(1000)은 전지 모듈(100)의 단자 버스바(710)와 연결된 HV 라인(800) 및 전지 모듈(100)의 센싱 어셈블리(730)와 연결된 LV 라인(900)을 포함한다. 또한, 전지팩(1000)은, HV 라인(800) 중 적어도 하나와 연결되어 복수의 전지 모듈의 전기적 연결을 제어하는 BDU(Battery Disconnect Unit) 모듈(1200) 및 LV 라인(900) 중 적어도 하나와 연결되어 복수의 전지 모듈(100)의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery Management System) 모듈(1300)을 더 포함할 수 있다.
각 전지 모듈(100)은 HV 라인(800)을 통해 서로 전기적으로 연결되며, 최종적으로 HV 라인(800)을 통해 BDU 모듈(1200)과 연결될 수 있다. BDU 모듈(1200)은 전지 모듈(100)과 인버터 사이에 위치하며 릴레이, 저항 등으로 구성된 모듈이다. 이러한 BDU 모듈(1200)은 자동차의 전력 계통에 전원을 안정적으로 공급 또는 차단하고 사고 전류가 발생했을 때 자동차의 전력계통을 보호하는 역할을 담당한다.
각 전지 모듈(100)은 LV 라인(900)을 통해 BMS 모듈(1300)과 연결되어, 전지 모듈(100) 내부의 전지셀(110)에 대한 측정된 온도나 전압의 데이터를 BMS 모듈(1300)에 전달할 수 있다. BMS 모듈(1300)은 측정된 온도나 전압의 데이터를 바탕으로 각 전지 모듈(100)의 온도나 전압 등을 관리하는 역할을 담당한다. 한편, 도 6에서는 설명의 편의를 위해 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b) 사이에 하나의 LV 라인(900)을 도시하였으나, 도 7에서와 같이 설계에 따라 2개의 LV 라인(900)으로 구성될 수도 있다. 즉, 본 실시예에 따른 LV 라인(900)의 개수에 특별한 제한은 없으며, 전지팩의 설계에 따라 그 개수가 달라질 수 있다.
이 때, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 HV 라인(800)과 LV 라인(900)은 팩 냉매관(600)보다 상부에 위치하고, 보다 상세하게는, 후술하는 하우징 커버(620) 보다 상부에 위치할 수 있다. 전지팩(1000)은 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있는데, 조립 불량이나 운행 중 사고 등의 원인으로 냉각수 등의 냉매가 누설되는 상황이 발생할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 팩 냉매관(600)에서 냉매의 누설이 발생하더라도, 누설된 냉매가 HV 라인(800)과 LV 라인(900)과 접촉하여 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, HV 라인(800)과 LV 라인(900)을 팩 냉매관(600) 보다 상부에 위치시켜, 전지팩(1000)의 절연 성능을 향상시킬 수 있다. 도 1에 도시한 것처럼 냉매관(2)으로부터 누설된 냉매가 아래에 위치한 HV 라인(3)이나 LV 라인(4)과 접촉하여 단락이 발생할 위험이 있는 종래의 전지팩(10)과 비교될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 팩 냉매관(600)을 수납하는 팩 냉매관 하우징(610) 및 팩 냉매관 하우징(610)의 개방된 상측을 덮는 하우징 커버(620)을 더 포함할 수 있다. 팩 냉매관 하우징(610)과 하우징 커버(620)는 팩 냉매관(600)을 따라 이어질 수 있다. 팩 냉매관(600)으로부터 누설된 냉매는 전지팩(1000)을 구성하는 다수의 부품 내부로 침투하여 화재나 폭발의 원인이 될 수 있다. 본 실시예에 따른 팩 냉매관 하우징(610)과 하우징 커버(620)가 팩 냉매관(600)을 따라 이어지며, 누설된 냉매가 기타 부품 내부로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상술한 바 대로, 도 1에 도시된 종래의 전지팩(10)은 HV 라인(3)이나 LV 라인(4)이 복잡하게 구성되고, LV 라인(4)은 팩 하우징(도시하지 않음)과 가까운 가장자리에 위치하기 때문에 외부 충격이나 진동이 일어날 경우, 단락이 발생할 가능성이 높다.
도 2, 도 4 및 도 6을 다시 참고하면, 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은, 전지셀(110)이 적층되는 방향(x축과 평행한 방향)으로 서로 마주보는 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b)을 포함할 수 있다. 이러한 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b)은 각각 2개씩 구성되어, 총 4개의 전지 모듈(100)이 바둑판 식으로 배열될 수 있다. 또한, 2개의 제1 전지 모듈(100a)은 엔드 플레이트(400)끼리 마주보도록 배치될 수 있고, 2개의 제2 전지 모듈(100b)도 엔드 플레이트(400)끼리 마주보도록 배치될 수 있다. 엔드 플레이트(400)에는 개구가 형성되어, HV 라인(800)과 연결되는 단자 버스바(710)와 LV 라인(900)과 연결되는 모듈 커넥터(740)가 노출될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 전지팩(1000)은 2개의 제1 전지 모듈(100a)을 엔드 플레이트(400)끼리 마주보도록 배치하고, 2개의 제2 전지 모듈(100b)을 엔드 플레이트(400)끼리 마주보도록 배치함으로써, 4개의 전지 모듈(100)과 연결되는 HV 라인(800) 및 LV 라인(900)을 단순화 할 수 있고, 또 효율적으로 배치시킬 수 있다.
또한, BDU 모듈(1200)과 연결된 HV 라인(800)은 제1 전지 모듈(100a)과 상기 제2 전지 모듈(100b) 사이에 위치할 수 있고, BMS 모듈(1300)과 연결된 LV 라인(900)은 제1 전지 모듈(100a)과 제2 전지 모듈(100b) 사이에 위치할 수 있다. 즉, HV 라인(800)과 LV 라인(900)을 복수의 전지 모듈(100)의 중앙부에 위치시켜, 외부 충격 등에 큰 영향을 받지 않도록 하였다. 따라서, HV 라인(800)과 LV 라인(900)에 대하여 단락의 발생 가능성을 줄이고, 전지팩(1000)의 절연 성능 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 4를 다시 참고하면, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300)의 상부 플레이트를 구성하며, 히트 싱크(300)의 함몰부(340)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 냉매의 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 히트 싱크(300)는 모듈 프레임(200)의 하부에 형성되고, 히트 싱크(300)는, 히트 싱크(300)의 골격을 형성하고 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 용접 등으로 직접 결합하는 하부 플레이트(310) 및 냉매가 유동하는 경로인 함몰부(340)를 포함할 수 있다. 또한, 히트 싱크(300)는 히트 싱크(300)의 일 변으로부터 모듈 프레임 돌출부(211)가 위치한 부분으로 돌출된 히트 싱크 돌출부(300P)를 포함할 수 있다.
히트 싱크 돌출부(300P)와 모듈 프레임 돌출부(211)는 서로 용접 등의 방법으로 직접 결합될 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)는, 하부 플레이트(310)가 하측으로 함몰 형성된 부분에 해당한다. 함몰부(340)는 냉매 유로가 뻗는 방향 기준으로 수직하게 xz평면이나 yz평면으로 자른 단면이 U자형 관일 수 있으며, 상기 U자형 관의 개방된 상측에 바닥부(210a)가 위치할 수 있다. 히트 싱크(300)가 바닥부(210a)와 접하면서, 함몰부(340)과 바닥부(210a) 사이의 공간이 냉매가 유동하는 영역, 즉 냉매의 유로가 된다. 이에 따라, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 상기 냉매와 직접 접촉할 수 있다.
히트 싱크(300)의 함몰부(340)의 제조 방법에 특별한 제한은 없으나, 판상형의 히트 싱크(300)에 대해 함몰 형성된 구조를 마련함으로써, 상측이 개방된 U자형 함몰부(340)를 형성할 수 있다.
이러한 함몰부(340)는 히트 싱크 돌출부(300P)들 중 하나로부터 다른 하나로 이어질 수 있다. 냉매 주입 포트(500a)를 통해 공급된 냉매는, 상기 제1 모듈 프레임 돌출부와 히트 싱크 돌출부(300P) 사이를 거쳐 함몰부(340)과 바닥부(210a) 사이의 공간으로 처음 유입된다. 이후, 냉매는 함몰부(340)를 따라 이동하고, 상기 제2 모듈 프레임 돌출부와 히트 싱크 돌출부(300P) 사이를 거쳐 냉매 배출 포트(500b)를 통해 배출된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 4의 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 전지셀 적층체(120) 사이에 열전도성 수지(Thermal resin)를 포함하는 열전도성 수지층이 위치할 수 있다. 상기 열전도성 수지층은 열전도성 수지(Thermal resin)를 바닥부(210a)에 도포하고, 도포된 열전도성 수지가 경화되어 형성될 수 있다.
상기 열전도성 수지는 열전도성 접착 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 실리콘(Silicone) 소재, 우레탄(Urethan) 소재 및 아크릴(Acrylic) 소재 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 수지는, 도포 시에는 액상이나 도포 후에 경화되어 전지셀 적층체(120)를 구성하는 하나 이상의 전지셀(110)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 열전도 특성이 뛰어나 전지셀(110)에서 발생한 열을 신속히 전지 모듈의 하측으로 전달할 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 모듈 프레임(200)과 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 구현하여, 냉각 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트에 대응하는 역할을 함으로써 냉각 일체형 구조를 구현할 수 있다. 직접 냉각에 따른 냉각 효율이 상승하고, 히트 싱크(300)가 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 일체화된 구조를 통해 전지 모듈(100) 및 전지 모듈(100)이 장착된 전지팩(1000) 상의 공간 활용률을 보다 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전지셀(110)에서 발생한 열이 전지셀 적층체(120)와 바닥부(210a) 사이에 위치하는 열전도성 수지층(미도시), 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a), 냉매를 거쳐 전지 모듈(100)의 외부로 전달될 수 있다. 종래의 불필요한 냉각 구조를 제거함으로써, 열전달 경로가 단순화되고, 각 층 사이의 에어 갭을 줄일 수 있기 때문에 냉각 효율이나 성능이 증대될 수 있다. 특히, 바닥부(210a)가 히트 싱크(300)의 상부 플레이트로 구성되어, 바닥부(210a)가 바로 냉매와 맞닿기 때문에 냉매를 통한 보다 직접적인 냉각이 가능한 장점이 있다.
또한, 불필요한 냉각 구조의 제거를 통해 전지 모듈(100)의 높이가 감소하여, 원가 절감이 가능하고, 공간 활용도를 높일 수 있다. 나아가, 전지 모듈(100)이 콤팩트하게 배치될 수 있으므로, 전지 모듈(100)을 다수 포함하는 전지팩(1000)의 용량이나 출력을 증대시킬 수 있다.
한편, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 히트 싱크(300) 중 함몰부(340)가 형성되지 않은 하부 플레이트(310) 부분과 용접을 통해 접합될 수 있다. 본 실시예는, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)와 히트 싱크(300)의 냉각 일체형 구조를 통해, 상술한 냉각 성능 향상뿐만 아니라 모듈 프레임(200)에 수용된 전지셀 적층체(120)의 하중을 지지하고 전지 모듈(100)의 강성을 보강하는 효과를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 하부 플레이트(310)와 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)는 용접 결합 등을 통해 밀봉됨으로써, 하부 플레이트(310) 내측에 형성된 함몰부(340)에서 냉매가 누설 없이 유동할 수 있다.
효과적인 냉각을 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 함몰부(340)는 적어도 한번 구부러져 일측에서 타측으로 이어질 수 있다. 특히, 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 함몰부(340)가 형성되기 위해 함몰부(340)는 수차례 구부러지는 것이 바람직하다. 모듈 프레임(200)의 바닥부(210a)에 대응하는 전 영역에 걸쳐 형성된 냉매 유로의 시작점에서 종료점까지 냉매가 이동함에 따라, 전지셀 적층체(120)의 전 영역에 대한 효율적인 냉각이 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 히트 싱크(300)의 함몰부(340)에는 돌출 패턴(340D)이 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 전지셀 적층체(120)와 같이 적층되는 전지셀의 개수가 종래 대비 많이 늘어나는 대면적 전지 모듈의 경우, 냉매 유로의 폭이 더 넓게 형성될 수 있어 온도 편차가 더 심할 수 있다. 대면적 전지 모듈에서는, 기존에 하나의 전지 모듈 내에 대략 12개 내지 24개의 전지셀이 적층된 경우 대비하여 대략 32개 내지 48개의 전지셀이 하나의 전지 모듈 내에 적층되어 있는 경우를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 본 실시예에 따른 돌출 패턴(340D)은 냉각 유로의 폭을 실질적으로 축소시키는 효과를 발생시켜 압력 강하를 최소화하고 동시에 냉매 유로 폭 간의 온도 편차를 줄일 수 있다. 따라서, 균일한 냉각 효과를 구현할 수 있다.
한편, 상기 냉매는 냉각을 위한 매개물로써, 특별한 제한은 없으나, 냉각수일 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.
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.
부호의 설명
100: 전지 모듈
600: 팩 냉매관
710: 단자 버스바
730: 센싱 어셈블리
800: HV 라인
900: LV 라인
1200: BDU 모듈
1300: BMS 모듈

Claims (11)

  1. 복수의 전지셀이 적층된 전지셀 적층체, 상기 전지셀과 연결된 단자 버스바 및 전지셀의 온도와 전압을 측정하는 센싱 어셈블리를 포함하는 복수의 전지 모듈;
    상기 전지 모듈을 수납하는 팩 프레임;
    상기 전지 모듈의 상기 단자 버스바와 연결된 HV 라인;
    상기 전지 모듈의 상기 센싱 어셈블리와 연결된 LV 라인; 및
    상기 전지 모듈에 냉매를 공급하는 팩 냉매관을 포함하고,
    상기 HV 라인과 상기 LV 라인은 상기 팩 냉매관보다 상부에 위치하는 전지팩.
  2. 제1항에서,
    상기 팩 냉매관을 수납하는 팩 냉매관 하우징을 더 포함하는 전지팩.
  3. 제2항에서,
    상기 팩 냉매관 하우징의 개방된 상측을 덮는 하우징 커버를 더 포함하고,
    상기 HV 라인과 상기 LV 라인은 상기 하우징 커버보다 상부에 위치하는 전지팩.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 전지 모듈은, 상기 전지셀이 적층되는 방향으로 서로 마주보는 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈을 포함하는 전지팩.
  5. 제4항에서,
    상기 HV 라인 중 적어도 하나와 연결되어, 상기 복수의 전지 모듈의 전기적 연결을 제어하는 BDU(Battery Disconnect Unit) 모듈을 더 포함하는 전지팩.
  6. 제5항에서,
    상기 BDU 모듈과 연결된 상기 HV 라인은 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 사이에 위치하는 전지팩.
  7. 제4항에서,
    상기 LV 라인 중 적어도 하나와 연결되어, 상기 복수의 전지 모듈의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery Management System) 모듈을 더 포함하는 전지팩.
  8. 제7항에서,
    상기 BMS 모듈과 연결된 상기 LV 라인은 상기 제1 전지 모듈과 상기 제2 전지 모듈 사이에 위치하는 전지팩.
  9. 제1항에서,
    상기 전지 모듈은 상기 센싱 어셈블리와 상기 LV 라인을 연결하는 모듈 커넥터를 더 포함하는 전지팩.
  10. 제9항에서,
    상기 전지 모듈은, 상기 모듈 프레임의 개방된 서로 대응하는 양측에 위치한 엔드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 엔드 플레이트에 개구가 형성되어, 상기 단자 버스바와 상기 모듈 커넥터가 노출되며,
    상기 제1 전지 모듈과 제2 전지 모듈은 각각 2개씩 구성되어, 2개의 제1 전지 모듈은 상기 엔드 플레이트끼리 마주보도록 배치되고, 2개의 제2 전지 모듈은 상기 엔드 플레이트끼리 마주보도록 배치되는 전지팩.
  11. 제1항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스.
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