WO2021235716A1 - 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

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case
battery pack
refrigerant
heat sink
cooling unit
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신주환
홍순창
임소은
이형석
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having a cooling unit on the outside of the pack case, and specifically, a cooling unit for dissipating heat generated from a battery module is provided outside the case, and a reinforcement case for protecting the cooling unit is additionally provided, so that the refrigerant It relates to a battery pack having a cooling unit outside the case that can fundamentally block the occurrence of an event due to leakage.
  • Secondary batteries that can store electric energy produced due to air pollution caused by the use of fossil fuels and the development of alternative energy due to energy depletion.
  • Secondary batteries that can be charged and discharged are closely used in daily life, such as being used in mobile devices, electric vehicles, hybrid electric vehicles, and the like.
  • Secondary batteries which are used as an energy source for various electronic devices that are indispensable in modern society, are increasing in capacity due to the increase in usage and complexity of mobile devices, and the development of electric vehicles.
  • a plurality of battery cells are disposed in a small device to satisfy a user's demand, but a battery module electrically connecting a plurality of battery cells or a battery pack having a plurality of such battery modules is used in automobiles and the like.
  • a battery module or battery pack uses a plurality of battery cells connected in series or parallel to improve capacity and output.
  • problems such as overload may occur.
  • a battery pack since a battery module accommodating a plurality of battery cells is placed in a case, the internal temperature of the battery pack rises due to overload, thereby causing problems such as amplifying an abnormal state of the battery.
  • a general battery pack is provided with a cooling unit capable of lowering the temperature inside the battery to increase the safety of the battery.
  • the battery pack according to the prior art includes a case 20 having a battery module 10 and an accommodating part 21 for accommodating it, the battery module 10 and the case 20 . Between, that is, it includes a cooling unit 30 located inside the receiving unit 21 .
  • the cooling unit 30 includes a heat sink 31 that comes into contact with the battery module 10 to lower the temperature of the battery module 10 and a refrigerant circulation pipe 32 that supplies a refrigerant to the heat sink 31 .
  • the cooling unit 30 is disposed inside the case 20, so that when the refrigerant flows out from the heat sink 31 or the refrigerant circulation pipe 32, it affects the battery pack, It reduces the safety of the battery pack.
  • the cooling unit 30 is located inside the case 20 and it is difficult to replace it.
  • Patent Document 1 mentions a heat sink mounted on the outside of the module case, but it relates to a battery module and does not mention a form in which the heat sink or the refrigerant circulation pipe can be replaced by being outside the pack case. .
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2018-0119990 (2018.11.05)
  • An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a battery pack with improved battery performance and safety because there is no risk of refrigerant leakage from inside the battery pack.
  • Another object of the present invention is to provide a battery pack that is easy to maintain and repair because parts can be easily replaced when a defect or damage occurs in the cooling unit.
  • a battery pack according to the present invention includes a battery module 100 including one or more unit cells; a case 200 provided with an accommodating part for accommodating the battery module 100; a cooling unit 300 located on an outer bottom surface of the case 200; and a reinforcing member 400 protecting the cooling unit 300 .
  • the cooling unit 300 includes a heat sink 310 having a cooling passage 311 formed therein, and a refrigerant inlet 321 and a refrigerant outlet for supplying and recovering refrigerant to and from the heat sink 310 ( 322 may include a refrigerant circulation pipe 320 provided with.
  • the cooling unit 300 may be fixed to the case 200 by an adhesive member 330 .
  • the adhesive member 330 may be a thermally conductive material.
  • the refrigerant circulation pipe 320 may be further provided with a fastening part 312 for coupling with the case 200,
  • a heat sink 210 for transferring heat generated in the battery module 100 to the case 200 may be positioned on the bottom surface of the case 200 accommodating part.
  • the refrigerant circulation pipe 320 may be located outside the reinforcing member 400 .
  • the reinforcing member 400 may be in close contact with an outer bottom surface of the case 200 and a pair of opposite side surfaces.
  • a plurality of openings 410 may be formed in the reinforcing member 400 .
  • a refrigerant inlet 313 and a refrigerant outlet 314 connected to the refrigerant circulation pipe 320 are formed at both ends of the heat sink 310 , and the refrigerant inlet 313 and the refrigerant outlet 314 are connected to the opening It may be positioned in a state protruding to the outside through 410 .
  • a branch pipe 323 may be positioned between the refrigerant inlet 313 and the refrigerant circulation pipe 320 of the heat sink 310 , and between the refrigerant outlet 314 and the refrigerant circulation pipe 320 .
  • the refrigerant inlet 321 and the refrigerant outlet 322 may be directly fixed to the case 200 .
  • the present invention may be a device equipped with a battery pack having one or more non-conflicting configurations among the above-mentioned features.
  • one or two or more non-conflicting configurations among the above configurations may be selected and combined.
  • the cooling unit is located outside the case, even if the coolant for cooling flows out, the performance of the battery pack is not affected, and safety is improved. There is this.
  • a reinforcing member for covering the cooling unit is additionally provided, so that the cooling unit can be safely protected from external impact.
  • a plurality of openings are formed in the reinforcing member so that a portion connecting the refrigerant circulation pipe and the refrigerant inlet and outlet of the heat sink can be exposed, and thus the entire reinforcing member There is an advantage in that it is easy to check for leaks or replace the refrigerant without removing it.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a battery pack according to the prior art.
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery pack according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view of the battery pack shown in FIG. 2 as viewed from one side.
  • FIG. 4 is a front view of the battery pack shown in FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a view of the battery pack shown in FIG. 2 as viewed from below.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the upper part of the case of the battery pack shown in FIG. 2 .
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a lower case of the battery pack shown in FIG. 2 .
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a heat sink mounted on the battery pack shown in FIG. 2 .
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery pack according to a preferred embodiment of the present invention
  • Fig. 3 is a view seen from one side of the battery pack shown in Fig. 2
  • Fig. 4 is a view seen from the front of the battery pack shown in Fig. 2
  • FIG. 5 is a view of the battery pack shown in FIG. 2 as viewed from below.
  • the battery pack according to the present invention includes a battery module 100 including one or more unit cells, a case 200 having an accommodating part accommodating the battery module 100, and a cooling unit 300 located on the outer bottom surface of the case 200 . ) and a reinforcing member 400 to protect the cooling unit 300 .
  • a receiving part surrounded by a side wall is formed to accommodate the battery module 100 including one or more unit cells (not shown).
  • the unit cell may include an electrode assembly and a cell case accommodating the same.
  • the electrode assembly is a jelly-roll type assembly having a structure in which a separator is interposed between a long sheet-shaped positive electrode and a negative electrode and then wound up, or a rectangular positive electrode and a negative electrode are unit cells of a structure in which the separator is interposed therebetween. It may consist of a stacked assembly, a stack-folding assembly in which unit cells are wound by a long separation film, or a lamination-stacking assembly in which unit cells are stacked with a separator interposed therebetween and attached to each other, etc. It is not limited thereto.
  • the electrode assembly according to the present invention preferably has a stack-folding type, lamination-stack type structure in which physical stress is minimal when forming a curved module.
  • the electrode assembly is accommodated in a cell case, and the cell case is typically composed of a laminate sheet structure of an inner layer/metal layer/outer layer. Since the inner layer is in direct contact with the electrode assembly, it must have insulation and electrolyte resistance, and for sealing with the outside, the sealing property, that is, the sealing portion where the inner layers are thermally bonded to each other, must have excellent thermal bonding strength.
  • the material of the inner layer may be selected from polyolefin resins such as polypropylene, polyethylene, polyethylene acrylic acid, polybutylene, etc., polyurethane resins and polyimide resins having excellent chemical resistance and good sealing properties, but is not limited thereto, Polypropylene excellent in mechanical properties such as tensile strength, rigidity, surface hardness, and impact resistance and chemical resistance is the most preferable.
  • polyolefin resins such as polypropylene, polyethylene, polyethylene acrylic acid, polybutylene, etc.
  • polyurethane resins and polyimide resins having excellent chemical resistance and good sealing properties, but is not limited thereto
  • Polypropylene excellent in mechanical properties such as tensile strength, rigidity, surface hardness, and impact resistance and chemical resistance is the most preferable.
  • the metal layer in contact with the inner layer corresponds to a barrier layer that prevents moisture or various gases from penetrating into the battery from the outside.
  • an outer layer is provided on the other side of the metal layer, and this outer layer can use a heat-resistant polymer excellent in tensile strength, moisture permeability and air permeability to secure heat resistance and chemical resistance while protecting the electrode assembly,
  • a heat-resistant polymer excellent in tensile strength, moisture permeability and air permeability to secure heat resistance and chemical resistance while protecting the electrode assembly
  • nylon or polyethylene terephthalate may be used, but is not limited thereto.
  • a cover may be mounted on the upper portion of the case 200 . That is, while the cover is seated on the upper part of the case 200, it can be fixed through known coupling means such as bolts or welding, and at this time, the surface in which the case 200 and the cover abut for easy coupling or mounting to an external device. This may be in an extended form.
  • the case 200 may have a partitioned structure so that the battery module 100 can maintain a constant distance from each other, and may have a concave-convex structure to facilitate heat dissipation while improving the strength of the case 200 .
  • the cooling unit 300 is located on the outer bottom surface of the case 200 .
  • the cooling unit 300 includes a heat sink 310 having a cooling passage formed therein, a refrigerant inlet 321 for supplying refrigerant to the heat sink 310 and a refrigerant outlet 322 for recovering the circulated refrigerant.
  • the provided refrigerant circulation pipe 320 and the refrigerant circulation pipe 330 are fixed to the outer bottom surface of the case 200 and at the same time include an adhesive member 330 that facilitates heat exchange between the case 200 and the heat sink 310 . to be configured, and a more detailed description of these cooling units 300 will be described later.
  • the reinforcing member 400 is not particularly limited as long as it has a shape capable of protecting the heat sink 310 of the cooling unit, but for example, the outer bottom surface of the case 200 and the long side of the two pairs of sides facing each other are wrapped around the can be That is, the reinforcing member 400 may be positioned so as to be in close contact with the outer bottom surface of the case 200 and a pair of side surfaces facing each other. It can be fixed to each other by the fastening means of the.
  • a part of the heat sink 310 and the refrigerant circulation pipe 320 are preferably exposed to the outside of the reinforcing member 400, which will be described later.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the upper part of the case of the battery pack shown in FIG. 2 .
  • a heat sink 210 is positioned between the bottom surface of the case 200 housing unit, that is, between the battery module 100 and the bottom surface, thereby dissipating heat generated in the battery module 100 .
  • the case 200 is transferred to the bottom surface.
  • the heat transferred to the bottom surface of the case 200 is transferred to the heat sink provided on the outside, so that it is possible to maintain the battery pack below a predetermined temperature.
  • the heat sink 210 is configured as a separate member from the case 200 and may be positioned between the battery module 100 and the case 200 , and if necessary, the bottom of the case 200 .
  • a form in which the upper surface or the lower surface of the battery module 100 is formed integrally is also possible.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a lower case in the battery pack shown in FIG. 2
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a heat sink mounted on the battery pack shown in FIG. 2 .
  • the cooling unit 300 and the reinforcing member 400 are sequentially positioned under the case 200 of the battery pack according to the present invention.
  • the cooling unit 300 includes one or more heat sinks 310 , a refrigerant circulation pipe 320 , and an adhesive member 330 having a substantially flat plate shape.
  • the heat sink 310 is for receiving the refrigerant flowing through the cooling passage 311 and the refrigerant circulation pipe 320 having a zigzag shape so that the refrigerant circulates evenly as much as possible, and the refrigerant inlet connected to one side of the cooling passage 311 ( 313), is configured to include a refrigerant outlet 314 connected to the other side of the cooling passage 311 to discharge the refrigerant heated through heat absorption.
  • the refrigerant inlet 313 and the refrigerant outlet 314 may be positioned to face each other at one side of both ends of the heat sink 310 .
  • the refrigerant inlet 313 and the refrigerant outlet 314 in the battery pack it is possible to reduce the moving distance of the refrigerant flowing in or out of the refrigerant circulation pipe 320 .
  • reference numeral 312 denotes a fastening part, and when the heat sink 310 is fixed to the case 200 , a space part in which known fixing means such as bolts and nuts can be located is provided. And although the figure shows that there are three heat sinks 310, this is only an example and can be increased or decreased as much as possible.
  • the refrigerant circulation pipe 320 for supplying the refrigerant to the refrigerant inlet 313 of the heat sink 310 and for inducing the refrigerant flowing out from the refrigerant outlet 314 is a shape surrounding a part of the outer portion of the case 200 and is approximately It is in the shape of an 'L'.
  • the heat sink 310 includes a refrigerant inlet 321 through which the refrigerant cooled to a predetermined temperature is supplied, a refrigerant outlet 322 through which the refrigerant passing through the heat sink 310 is discharged, and each heat sink 310 and the refrigerant. It is configured to include a branch pipe 323 connecting the circulation pipe (320).
  • the branch pipe 323 has the same number of the refrigerant inlet 313 and the refrigerant outlet 314 of the heat sink 310, and it is preferable to selectively replace only the heat sink 310 having a problem. This can save maintenance and repair costs.
  • the refrigerant inlet 321 and the refrigerant outlet 322 are fastened to one side of the case 200 , while the branch pipe 323 of the refrigerant circulation pipe 320 is connected to the heat sink 310 , so that the refrigerant circulation
  • the tube 320 may be firmly fixed to the case 200 .
  • the heat sink 310 and the refrigerant circulation pipe 320 as described above are preferably made of a material capable of easily transferring heat, and for example, may be made of aluminum having excellent thermal conductivity.
  • the material of the adhesive member 330 is not particularly limited as long as it has excellent thermal conductivity and sufficient adhesion, but may be, for example, resins such as silicone, epoxy, polyurethane, acrylic, phenolic resin, polyester, and glass frit, If necessary, metal or carbon particles such as silver, copper, nickel, silver-lead, silver-copper may be additionally included in these resins.
  • the reinforcing member 400 for protecting the heat sink 310 and the refrigerant circulation pipe 320 from an external shock while positioned under the cooling unit 300 is approximately 'U' shaped, and the heat sink 310 ) extends from the bottom of the case 200 to the side.
  • one or more openings 410 are formed on the side of the reinforcing member 400, and through this Since the refrigerant inlet 313 and the refrigerant outlet 314 of the heat sink 310 are connected to the branch pipe 323 after the opening 410 is exposed in a protruding state, there is no abnormality even if the reinforcing member 400 is not removed. It has the advantage of being able to observe and maintaining very easy maintenance.
  • the reinforcing member 400 may be a concave-convex structure made of a metal material having excellent thermal conductivity to be strong against external impact and to facilitate natural heat dissipation.
  • the reinforcing member 400 may be fixed to the side or flange portion of the case 200 through known fixing means such as bolts or welding.
  • the manufacturing method of the battery pack according to the present invention comprises the steps of: S1) accommodating the battery module 100 including one or more unit cells in a receiving unit of the case 200, S2) a cooling unit on the outer bottom surface of the case 200 Attaching the 300 , and S3 ) may include mounting the reinforcing member 400 on the outside of the cooling unit 300 .
  • step S1 the step of disposing the heat sink 210 between the battery module 100 and the bottom surface of the case 200 may be further performed.
  • the present invention may be a device equipped with a battery pack having one or more of the characteristics described above, and the device may be an electronic device including a large-capacity battery such as an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a plug-in hybrid electric vehicle.
  • a large-capacity battery such as an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a plug-in hybrid electric vehicle.
  • cooling flow path 312 fastening part

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Abstract

본 발명은 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩에 관한 것으로, 구체적으로 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈(100); 상기 배터리 모듈(100)을 수용하는 수납부가 구비된 케이스(200); 상기 케이스(200) 외측 저면에 위치하는 냉각부(300); 및 상기 냉각부(300)를 보호하는 보강부재(400);를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩
본 출원은 2020년 05월 20일자 한국 특허 출원 제2020-0060598호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 팩 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩에 관한 것으로, 구체적으로 배터리 모듈에서 발생한 열을 방출하기 위한 냉각부가 케이스 외부에 구비되며 또 냉각부를 보호하기 위한 보강케이스가 추가로 구비되어 있어 냉매 유출에 의한 이벤트 발생을 원천적으로 차단할 수 있는 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 화석연료의 사용에 따른 대기오염, 에너지 고갈로 인한 대체에너지 개발로 인해 생산된 전기 에너지를 저장할 수 있는 이차전지에 관한 수요가 증가하고 있다. 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차 등에 사용되는 등 일상생활에 밀접하게 사용되고 있다.
현대사회에서 필수불가결하게 사용되고 있는 각종 전자기기의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지는 모바일 기기의 사용량 증가 및 복잡화, 전기 자동차 등의 개발로 인해 요구되는 용량이 증가되고 있다. 사용자의 수요를 충족시키기 위해 소형 기기에는 다수의 전지 셀을 배치하고 있으나, 자동차 등에는 다수개의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 배터리 모듈 또는 이러한 배터리 모듈을 다수 구비한 배터리 팩이 사용된다.
배터리 모듈 또는 배터리 팩은 용량과 출력을 향상시키기 위해 다수의 전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하고 있다. 다수의 전지 셀을 연결하여 사용하는 경우 과부하 등의 문제점이 발생할 수 있다. 특히 배터리 팩의 경우, 다수의 전지 셀을 수용하고 있는 배터리 모듈을 케이스 내에 위치시키고 있어, 과부하로 인해 배터리 팩 내부 온도가 상승하여 전지의 이상상태를 증폭시키는 등의 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적인 배터리 팩은 전지 내부의 온도를 낮출 수 있는 냉각부를 구비하여 전지의 안전성을 높이고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 종래 기술에 따른 배터리 팩은, 배터리 모듈(10)과 이를 수납할 수 있는 수납부(21)를 구비한 케이스(20), 상기 배터리 모듈(10)과 상기 케이스(20) 사이, 즉 수납부(21)의 내부에 위치한 냉각부(30)를 포함하고 있다. 상기 냉각부(30)는 배터리 모듈(10)에 닿아 배터리 모듈(10)의 온도를 낮춰주는 히트싱크(31) 및 히트싱크(31)에 냉매를 공급해주는 냉매 순환관(32)으로 이루어져 있다.
하지만 종래 기술에 따른 배터리 팩은 케이스(20) 내부에 냉각부(30)가 배치되어 있어, 냉매가 상기 히트싱크(31) 또는 냉매 순환관(32)에서 유출될 경우 배터리 팩에 영향을 미치고, 배터리 팩의 안전성을 저하시킨다. 게다가 상기 히트싱크(31) 또는 냉매 순환관(32)에 하자가 발생하여도 케이스(20) 내부에 위치하여 이를 교체하기 어려운 문제점이 있다.
특허문헌 1에서는 모듈 케이스 외측에 장착되는 히트싱크에 대해 언급하고 있으나, 이는 배터리 모듈에 관한 것으로 팩 케이스의 외부에 존재하여 히트싱크나 냉매 순환관을 교체할 수 있는 형태에 관한 언급은 하지 않고 있다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1)한국 공개특허공보 제2018-0119990호(2018.11.05)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 팩 내부에서의 냉매 유출 우려가 없어 배터리 성능 및 안전성이 향상된 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 냉각부에 하자나 손상이 발생할 때 부품 교체가 쉬워 유지 및 보수가 용이한 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈(100); 상기 배터리 모듈(100)을 수용하는 수납부가 구비된 케이스(200); 상기 케이스(200) 외측 저면에 위치하는 냉각부(300); 및 상기 냉각부(300)를 보호하는 보강부재(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 냉각부(300)는, 냉각 유로(311)가 형성되어 있는 히트싱크(310), 및 상기 히트싱크(310)로 냉매를 공급하고 회수하기 위한 냉매 주입구(321)와 냉매 유출구(322)가 구비된 냉매 순환관(320)을 포함할 수 있다.
또한 상기 냉각부(300)는 접착부재(330)에 의해 상기 케이스(200)와 고정되어 있을 수 있다.
이 때, 상기 접착부재(330)는 열전도성 재질일 수 있다.
또한 상기 냉매 순환관(320)은 상기 케이스(200)와 결합하기 위한 체결부(312)가 더 구비될 수 있다,
또한 상기 케이스(200) 수납부 바닥면에는 상기 배터리 모듈(100)에서 발생한 열을 상기 케이스(200)로 전달하기 위한 방열판(210)이 위치할 수 있다.
또한 상기 냉매 순환관(320)은 상기 보강부재(400) 외부에 위치할 수 있다.
또한 상기 보강부재(400)는 상기 케이스(200)의 외측 저면 및 마주 보는 한 쌍의 측면과 밀착할 수 있다.
이 때, 상기 보강부재(400)에는 복수개의 개구부(410)가 형성되어 있을 수 있다.
또한 상기 히트싱크(310) 양측 단부에는 상기 냉매 순환관(320)과 연결되는 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)가 형성되되, 상기 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)는 상기 개구부(410)를 통해 외부로 돌출된 상태로 위치할 수 있다.
이 때, 상기 히트싱크(310)의 냉매 입구(313)와 냉매 순환관(320), 및 냉매 출구(314)와 냉매 순환관(320) 사이에는 분기관(323)이 위치할 수 있다.
또한 상기 냉매 주입구(321)와 냉매 배출구(322)는 케이스(200)에 직접 고정될 수 있다.
본 발명은 상기에서 언급된 특징 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 구비하고 있는 배터리 팩이 장착된 디바이스 일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩에 의하면, 냉각부가 케이스 외부에 위치하기 때문에 냉각을 위한 냉매가 유출되어도 배터리 팩의 성능에 영향이 없어 안전성이 향상된다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩에 의하면, 냉각부를 커버하는 보강부재가 추가로 구비되어 있어 외부 충격으로부터 냉각부를 안전하게 보호할 수 있다는 장점이 있다.
게다가 본 발명에 따른 케이스 외부에 냉각부를 구비한 배터리 팩에 의하면, 보강부재에는 냉매 순환관과 히트싱크의 냉매 입출구를 연결하는 부위가 노출될 수 있도록 복수개의 개구부가 형성되어 있고, 따라서 보강부재 전체를 분리하지 않아도 냉매의 누수확인이나 교체가 용이하다는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 배터리 팩을 일측면에서 바라본 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 배터리 팩을 정면에서 바라본 도면이다.
도 5는 도 2에 도시한 배터리 팩을 아래에서 바라본 도면이다.
도 6는 도 2에 도시한 배터리 팩에서, 케이스 상부를 분해한 사시도이다.
도 7은 도 2에 도시한 배터리 팩에서, 케이스 하부를 분해한 사시도이다.
도 8은 도 2에 도시한 배터리 팩에 장착되는 히트싱크의 확대단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시한 배터리 팩을 일측면에서 바라본 도면, 도 4는 도 2에 도시한 배터리 팩을 정면에서 바라본 도면, 그리고 도 5는 도 2에 도시한 배터리 팩을 아래에서 바라본 도면이다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈(100), 배터리 모듈(100)을 수용하는 수납부가 구비된 케이스(200), 케이스(200) 외측 저면에 위치하는 냉각부(300) 및 냉각부(300)를 보호하는 보강부재(400)를 포함한다.
먼저 케이스(200)에 관해 설명하면, 하나 이상의 단위 셀(미도시)을 포함하는 배터리 모듈(100)을 수납할 수 있도록 측벽에 의해 둘러싸인 수납부가 형성되어 있다.
여기서, 단위 셀은 전극조립체 및 이를 수납하는 셀 케이스를 포함할 수 있다. 상기 전극조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다. 본 발명에 따른 전극조립체는 커브드 모듈을 형성할 때, 물리적 스트레스가 가장 적은 스택-폴딩형, 라미네이션-스택형 구조인 것이 바람직하다.
상기 전극조립체는 셀 케이스에 수납되며, 셀 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 전극 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.
내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 막막을 사용할 수 있다.
그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극 조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
비록 도시하지 않았지만 케이스(200) 상부에는 커버가 장착될 수 있다. 즉, 케이스(200) 상부에 커버가 안착된 채, 볼트나, 용접 등 공지의 결합수단을 통해 고정될 수 있고, 이때 견고한 결합이나 외부 디바이스에 장착하기 용이하도록 케이스(200)와 커버가 맞닿는 면이 연장되어 있는 형태일 수 있다.
한편, 케이스(200)는 배터리 모듈(100)이 서로 일정한 간격을 유지할 수 있도록 구획된 구조일 수 있고, 또한 케이스(200)의 강도를 향상시키면서 방열이 용이하도록 요철구조일 수 있다
본 발명에 따른 배터리 팩에서 냉각부(300)는 케이스(200)의 외측 저면에 위치한다. 구체적으로 냉각부(300)는 냉각 유로가 형성되어 있는 히트싱크(310), 히트싱크(310)에 냉매를 공급하기 위한 냉매 주입구(321)와 순환한 냉매를 회수하기 위한 냉매 유출구(322)가 구비된 냉매 순환관(320) 그리고 냉매 순환관(330)을 케이스(200) 외측 저면에 고정함과 동시에 케이스(200)와 히트싱크(310)와의 열교환을 용이하게 하는 접착부재(330)을 포함하여 구성되며, 이들 냉각부(300)에 관한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.
다음은 히트싱크(310)를 포함하는 냉각부(300)를 보호하기 위한 보강부재(400)에 관해 설명하기로 한다.
보강부재(400)는 냉각부의 히트싱크(310)를 보호할 수 있는 형상이라면 특별히 제한하지 않지만, 일례로, 케이스(200)의 외측 저면과 서로 마주보고 있는 두 쌍의 측면 중 긴 측면을 감싸는 형태일 수 있다. 즉, 보강부재(400)는 케이스(200)의 외측 저면과, 서로 마주 보는 한 쌍의 측면과 밀착하도록 위치할 수 있고, 이때 케이스(200)와 보강부재(400)는 스폿 용접이나 나사 등 공지의 체결수단으로 서로 고정될 수 있다.
한편, 히트싱크(310)의 일부와 냉매 순환관(320)은 보강부재(400) 외부로 노출되는 것이 바람직한데 이와 관련하여서는 후술하기로 한다
도 6는 도 2에 도시한 배터리 팩에서, 케이스 상부를 분해한 사시도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은 케이스(200) 수납부인 바닥면, 즉 배터리 모듈(100)과 바닥면 사이에 방열판(210)이 위치함으로써, 배터리 모듈(100)에서 발생한 열을 케이스(200) 바닥면으로 전달한다. 물론 이 때, 케이스(200) 바닥면으로 전달된 열은 외측에 구비되어 있는 히트싱크에 전달됨으로써 배터리 팩을 소정 온도 이하로 유지하는 것이 가능하다.
여기서, 방열판(210)은 도 6에 도시한 것처럼 케이스(200)와는 별도 부재로 구성되어 배터리 모듈(100)과 케이스(200) 사이에 위치할 수 있고, 필요에 따라서는 케이스(200)의 바닥면 상부 또는 배터리 모듈(100) 저면에 각각 일체로 이루어져 있는 형태도 가능하다.
도 7은 도 2에 도시한 배터리 팩에서, 케이스 하부를 분해한 사시도이고, 도 8은 도 2에 도시한 배터리 팩에 장착되는 히트싱크의 확대단면도이다.
도 5, 도 7 및 도 8을 함께 참고하면서 설명하면, 본 발명에 따른 배터리 팩의 케이스(200) 하부에는 냉각부(300)와 보강부재(400)가 순차적으로 위치한다.
보다 구체적으로 설명하면, 냉각부(300)는 대략 평평한 판 형상으로 이루어진 하나 이상의 히트싱크(310), 냉매 순환관(320) 및 접착부재(330)로 구성된다. 히트싱크(310)는 가급적 냉매가 고르게 순환할 수 있도록 지그재그 형상을 갖는 냉각유로(311), 냉매 순환관(320)을 흐르는 냉매를 공급받기 위한 것으로 냉각유로(311)의 일측과 연결된 냉매 입구(313), 흡열을 통해 승온된 냉매를 배출하기 위하여 냉각유로(311)의 타측에 연결된 냉매 출구(314)를 포함하여 구성된다.
여기서, 냉매 입구(313)과 냉매 출구(314)는 상기 히트싱크(310)의 양 끝의 일측에 서로 마주보도록 위치할 수 있다. 이를 통해 상기 배터리 팩 내에서 상기 냉매 입구(313)과 상기 냉매 출구(314)의 위치를 조절하여 상기 냉매 순환관(320)에서 유입 또는 유출되는 냉매의 이동거리를 줄일 수 있다.
한편 도면부호 312는 체결부로서, 히트싱크(310)를 케이스(200)에 고정할 시, 볼트와 너트 등 공지의 고정 수단이 위치할 수 있는 공간부를 제공한다. 그리고 비록 도면에서는 히트싱크(310)가 3개인 것으로 도시하고 있으나, 이는 일 예시에 불과할 뿐 얼마든지 증감이 가능하다.
히트싱크(310)의 냉매 입구(313)로 냉매를 공급하고 또 냉매 출구(314)로부터 유출되는 냉매를 유도하기 위한 냉매 순환관(320)은 케이스(200)의 일부 외곽을 따라 감싸는 형상이며 대략 'L'자 형태이다.
이러한 히트싱크(310)는 소정 온도로 냉각된 상태의 냉매가 공급되는 냉매 주입구(321), 히트싱크(310)를 통과한 냉매가 배출되는 냉매 배출구(322) 그리고 각 히트싱크(310)와 냉매 순환관(320)을 연결하는 분기관(323)을 포함하여 구성된다.
여기서, 분기관(323)은 히트싱크(310)의 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)와 동일한 개수로 이루어지는 것이 바람직한데, 이로 인해 문제가 발생한 히트싱크(310)만을 선택적으로 교체하는 것이 가능하여 유지 및 보수비용을 절약할 수 있다.
한편, 냉매 주입구(321)와 냉매 배출구(322)는 케이스(200)의 일측면에 체결되는 한편, 냉매 순환관(320)의 분기관(323)은 히트싱크(310)에 연결됨으로, 냉매 순환관(320)은 케이스(200)에 견고하게 고정될 수 있다.
상기와 같은 히트싱크(310)와 냉매 순환관(320)은 열의 전달이 쉽게 이루어질 수 있는 소재로 이루어지는 것이 바람직한데, 일례로, 열전도성이 우수한 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
계속해서, 케이스(200) 외측 하면과 히트싱크(310) 사이에 개재되는 접착부재(330)는 이들을 서로 결합하는 기능 외에도, 케이스(200)와 히트싱크(310) 사이의 들뜸 현상을 방지함으로써 열전달효율을 극대화하기 위함이다.
열전도성이 우수하고 충분한 접착력을 갖고 있다면 접착부재(330)의 소재는 특별히 제한하지 않지만, 일례로 실리콘, 에폭시, 폴리우레탄, 아크릴, 페놀 수지, 폴리에스테르, 글라스 프릿 등의 수지류일 수 있고, 필요에 따라 이들 수지류에 은, 구리, 니켈, 은-납, 은-구리 등의 금속 또는 카본 입자들이 추가적으로 포함될 수 있다.
계속해서, 냉각부(300) 아래에 위치하면서 외부충격 등으로부터 히트싱크(310)와 냉매 순환관(320)을 보호하기 위한 보강부재(400)는 대략 'Ｕ'자 형상으로, 히트싱크(310)의 저면에서부터 케이스(200) 측면까지 연장된다.
특히 보강부재(400)의 측면에는 하나 이상의 개구부(410), 구체적으로 히트싱크(310)의 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)와 동일한 개수의 개구부(410)가 형성되어 있고, 이를 통해 히트싱크(310)의 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)는 개구부(410)를 돌출한 상태로 노출된 후 분기관(323)과 연결되므로, 보강부재(400)를 분리하지 않아도 이상유무의 관측이 가능하고 게다가 유지보수가 매우 용이하다는 이점이 있다.
한편, 보강부재(400)는 외부 충격에 강하고 자연적인 방열이 용이하도록 열전도성이 우수한 금속 재질의 요철구조일 수 있다.
물론 보강부재(400)는 볼트, 용접 등과 같은 공지의 고정수단을 통해 케이스(200) 측면 또는 플랜지부에 고정될 수 있다.
다음은 전술한 구성들을 갖는 본 발명의 배터리 팩의 제조방법에 관하여 간단하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 배터리 팩의 제조방법은, S1) 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈(100)을 케이스(200)의 수납부에 수납하는 단계, S2) 케이스(200)의 외측 저면에 냉각부(300)를 부착하는 단계, 및 S3) 냉각부(300) 외측에 보강부재(400)를 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
한편 S1) 단계에서는 배터리 모듈(100)과 케이스(200)의 바닥면 사이에 방열판(210)을 배치하는 단계가 더 수행될 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 것 중 어느 하나 이상의 특징을 가지고 있는 배터리 팩이 장착된 디바이스일 수 있고, 상기 디바이스는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등과 같이 대용량의 전지를 포함하는 전자기기일 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
(부호의 설명)
10, 100 : 배터리 모듈
20, 200 : 케이스
21 : 수납부
210 : 방열판
30, 300 : 냉각부
31, 310 : 히트싱크
311 : 냉각 유로 312 : 체결부
313 : 냉매 입구 314 : 냉매 출구
32, 320 : 냉매 순환관
321 : 냉매 주입구 322 : 냉매 배출구
323 : 분기관
330 : 접착부재
400 : 보강부재
410 : 개구부

Claims (13)

  1. 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈(100);
    상기 배터리 모듈(100)을 수용하는 수납부가 구비된 케이스(200);
    상기 케이스(200) 외측 저면에 위치하는 냉각부(300); 및
    상기 냉각부(300)를 보호하는 보강부재(400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부(300)는, 냉각 유로(311)가 형성되어 있는 히트싱크(310), 및 상기 히트싱크(310)로 냉매를 공급하고 회수하기 위한 냉매 주입구(321)와 냉매 유출구(322)가 구비된 냉매 순환관(320)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각부(300)는 접착부재(330)에 의해 상기 케이스(200)와 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접착부재(330)는 열전도성 재질인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매 순환관(320)은 상기 케이스(200)와 결합하기 위한 체결부(312)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이스(200) 수납부 바닥면에는 상기 배터리 모듈(100)에서 발생한 열을 상기 케이스(200)로 전달하기 위한 방열판(210)이 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 냉매 순환관(320)은 상기 보강부재(400) 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보강부재(400)는 상기 케이스(200)의 외측 저면과 마주 보는 한 쌍의 측면과 밀착하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보강부재(400)에는 복수개의 개구부(410)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 히트싱크(310) 양측 단부에는 상기 냉매 순환관(320)과 연결되는 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)가 형성되되,
    상기 냉매 입구(313)와 냉매 출구(314)는 상기 개구부(410)를 통해 외부로 돌출된 상태로 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 히트싱크(310)의 냉매 입구(313)와 냉매 순환관(320), 및 냉매 출구(314)와 냉매 순환관(320) 사이에는 분기관(323)이 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉매 주입구(321)와 냉매 배출구(322)는 케이스(200)에 직접 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 팩이 장착된 디바이스.
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