WO2012067363A2 - 우수한 냉각 효율성의 전지팩 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having excellent cooling efficiency, and more particularly, to a battery module in which a plurality of unit modules in which battery cells themselves or two or more battery cells are built are stacked in an upright or inverted form.
  • the refrigerant inlet and the refrigerant outlet are located in the upper and lower parts of the pack case, from the flow space ('refrigerant inlet') and the battery module from the refrigerant inlet to the battery module Flow spaces leading to the refrigerant outlets ('coolant outlets') are formed in the pack case, respectively,
  • the battery pack is characterized in that it is branched from one refrigerant inlet duct and connected to each pack case, and the refrigerant outlet is extended from each pack case and connected to one refrigerant outlet duct.
  • the secondary battery is an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a plug-in hybrid electric vehicle that has been proposed as a solution for air pollution of existing gasoline and diesel vehicles using fossil fuel. It is attracting attention as a power source such as (Plug-In HEV).
  • One or two or four battery cells per device are used in small mobile devices, while battery packs that electrically connect a plurality of battery cells are used in medium and large devices such as automobiles due to the necessity of high output capacity.
  • the battery pack is preferably manufactured in as small a size and weight as possible, a square battery, a pouch-type battery, etc., which can be charged with high integration and have a small weight to capacity, are mainly used as battery cells of a battery pack.
  • a pouch-type battery using an aluminum laminate sheet or the like as an exterior member has attracted much attention in recent years due to advantages such as low weight, low manufacturing cost, and easy form deformation.
  • a battery pack In order for a battery pack to provide the output and capacity required in a given device or device, a plurality of battery cells must be electrically connected in series and be able to maintain a stable structure against external force. In addition, it must be efficient in space utilization so as to be mounted in a predetermined apparatus or device to minimize dead space.
  • the battery cells constituting the medium-large battery module is composed of a secondary battery capable of charging and discharging, such a high output large capacity secondary battery generates a large amount of heat during the charging and discharging process. If this is not effectively removed, thermal buildup occurs and consequently accelerates the deterioration of the unit cell, and in some cases there is a risk of fire or explosion. Therefore, a vehicle battery pack that is a high output large capacity battery requires a cooling system for cooling the battery cells embedded therein.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application have developed a battery pack having a specific structure, and have confirmed that the battery pack has high cooling efficiency and space efficiency, and has completed the present invention. .
  • a medium-large battery pack includes a battery pack including two or more battery modules stacked in an upright or inverted form in which battery cells themselves or two or more battery cells are built in unit modules.
  • the battery modules may be built in each pack case for each battery module, and in the pack case, refrigerant for cooling the battery cells faces from one side of the battery module in a direction perpendicular to the stacking direction of the battery cells or unit modules.
  • the refrigerant inlet and the refrigerant outlet are located in the upper and lower parts of the pack case, the flow space from the refrigerant inlet to the battery module ('coolant inlet') and the flow space from the battery module to the refrigerant outlet ( 'Refrigerant outlets') are respectively formed in the pack case, and the coolant inlet is formed from a single coolant inlet duct.
  • the group is connected to each of the pack case, the coolant outlet port is constructed in a structure which is extended from each of the pack case connected to a coolant outlet duct.
  • the variation of the cooling efficiency in the battery pack is predominantly due to the difference in cooling performance between the battery cell or the unit module at the refrigerant inlet portion and the battery cell or the unit module at the portion opposite to the refrigerant inlet.
  • the battery pack according to the present invention has a battery module is arranged in two or more rows can have a compact size than constituting the pack in a single column, it is possible to reduce the dead space (maximum efficiency). In addition, it was confirmed that the temperature deviation between the respective battery modules did not increase.
  • the unit module may include, for example, two or more battery cells having electrode terminals interconnected in series, and a pair of module housings coupled to surround the outer surface of the battery cells except for the electrode terminal portion. It may be made of a structure comprising a.
  • the module housing prevents the sealing part of the battery cell from being separated by inhibiting repeated expansion and contraction during charging and discharging while protecting the battery cell with low mechanical rigidity.
  • the module housing may have any structure as long as it can accommodate the battery cells.
  • the module housing has an inner structure corresponding to the outer surface shape of the battery cell stack, and does not require a separate fastening member. It may be made of a structure that is coupled in an assembly fastening method.
  • the unit module may have a structure in which two battery cells are mounted in a module housing made of metal.
  • the battery cell is a secondary battery having a thin thickness and a relatively wide width and length so as to minimize the overall size when the battery cell is charged for the configuration of the battery module.
  • a secondary battery having a structure in which an electrode assembly is embedded in a battery case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and electrode terminals protrude from upper and lower ends thereof, and specifically, a pouch type of an aluminum laminate sheet. It may be a structure in which the electrode assembly is built in the case.
  • a secondary battery having such a structure may be referred to as a pouch type battery cell.
  • the cell case may have various structures.
  • the upper and lower contact portions are sealed after storing the electrode assembly in the upper and / or lower inner surfaces formed as members of two units. It may be a structure.
  • a pouch-type battery cell having such a structure is disclosed in PCT International Application No. PCT / KR2004 / 003312 of the applicant, which is incorporated by reference in the present invention.
  • the electrode assembly is composed of a positive electrode and a negative electrode to enable charge and discharge, for example, a structure in which the positive electrode and the negative electrode is laminated with a separator therebetween, a jelly-roll method, a stack type method, or a stack / fold type method. Consists of The positive electrode and the negative electrode of the electrode assembly may have a form in which electrode tabs thereof protrude directly to the outside of the battery, or the electrode tabs may be connected to separate leads and protrude out of the battery.
  • the battery cells inside or between the battery modules are connected in a series and / or parallel manner, and in one preferred embodiment, the battery cells are arranged in series in the longitudinal direction such that their electrode terminals are continuously adjacent to each other.
  • a plurality of battery modules may be manufactured by folding the battery cells in two or more units so as to overlap each other and wrapping the battery cells in a predetermined unit.
  • Coupling of the electrode terminals may be implemented in various ways, such as welding, soldering, mechanical fastening, preferably by welding.
  • the side sealing portion of the outer circumferential surface sealing portion of the battery cell may be bent to approximately match the inner shape of the module housing to improve space utilization, thereby manufacturing a battery module having a more compact structure.
  • the electrode terminals protrude from both the upper and lower ends of the battery cell as described above, when the odd number of battery cells are connected in series, the electrode terminals are positioned at both ends of the unit module, so it may not be easy for subsequent processes. It is preferable to connect two battery cells in series. In addition, when three or more battery cells are used as a unit module, battery cells other than the outermost battery cell are not directly fixed by the module housing, which may cause problems due to vibration or the like.
  • the module housing may have protrusions formed on an outer circumferential surface to secure a flow path when they are stacked.
  • the protrusions When the protrusions are stacked with unit modules, the protrusions form a flow path so that the refrigerant moves to a portion where the protrusions do not touch each other.
  • the portion corresponding to the surface on which the electrode of the battery cell protrudes from the module housing is formed lower than other portions, thereby fixing the surface on which the electrode of the battery cell protrudes.
  • the battery cell may be used as long as it is a rechargeable battery capable of charging and discharging.
  • the battery cell is a lithium secondary battery in terms of output or capacity to weight.
  • the battery modules are preferably arranged in two or more rows in the stacking direction of the battery cells or unit modules.
  • the refrigerant flows in the stacking direction of the battery cell or the unit module and is discharged through the battery cell or the unit module. Therefore, when two or more rows are arranged in the stacking direction of the battery cells or unit modules as described above, the length of the refrigerant inlet is shortened, thereby increasing the cooling efficiency and reducing the temperature variation of the battery cells or the unit modules in the same battery module.
  • the refrigerant inlet may be branched at an angle of 60 to 120 degrees with respect to the refrigerant movement direction of the refrigerant inlet duct.
  • the compact battery pack can be configured by the structure in which the refrigerant inlet is branched from the refrigerant inlet duct within the angle range as described above.
  • the refrigerant inlet is preferably branched at an angle of 90 degrees with respect to the refrigerant movement direction of the refrigerant inlet duct.
  • the refrigerant discharge duct may have a structure that is formed in an upward direction at a point where the discharge port is connected.
  • the coolant discharge duct When the coolant discharge duct is formed in the upper direction, it may be formed along the side of the battery module, it is possible to increase the space efficiency of the entire battery pack.
  • the coolant discharge duct When the coolant discharge duct is formed in the lower direction, it is a structure that protrudes downward by the length of the duct, and even when the discharge port is formed in the stacking direction of the battery cells is a structure that protrudes in the direction by the length of the duct, which is not preferable. not.
  • the refrigerant discharge port may have a structure in which a suction fan providing a driving force for moving the refrigerant from the refrigerant inlet to the discharge port after passing through the battery module.
  • the driving noise of the fan may be high inside the device in which the battery pack is mounted.
  • the driving force is provided to the suction fan as described above, even when the inlet is branched at a predetermined angle with respect to the refrigerant movement direction of the inlet duct, it was confirmed that a uniform amount of refrigerant may be provided to each battery module. .
  • the suction fan may be a structure that is mounted at a position higher than the upper end of the battery module to minimize the impact on the battery module when the external force is applied from the side direction of the battery pack.
  • the suction fan is mounted at a position higher than the upper end of the battery module assembly, it is possible to secure the safety of the battery pack by minimizing the impact of the suction fan on the battery module assembly when an external force is applied from the side of the battery pack. have.
  • the suction fan is connected to the refrigerant discharge duct extending upwardly from the refrigerant outlet along the side of the assembly of the battery module, the refrigerant flows through the battery module from the refrigerant inlet and then moves to the refrigerant outlet to increase the speed. It is possible to improve the cooling efficiency of the cells or unit modules.
  • the upper inner surface of the refrigerant inlet may have an inclined surface structure inclined with respect to the upper surface of the stack of the battery cell or the unit module so that the refrigerant inlet is widened in the direction of the refrigerant inlet at the opposite end of the refrigerant inlet.
  • the flow rate decreases a lot in the flow path near the refrigerant inlet port has a high temperature variation between the battery cell or the unit module Have.
  • the inclination angle of the inclined surface may be 3 to 8 degrees.
  • the temperature variation is not efficient, and if it is 8 degrees or more, the height of the inlet becomes high, so that a compact structure cannot be formed, and as the cross-sectional area of the inlet increases, the velocity of the refrigerant increases. It is not desirable because it can be slow.
  • the temperature deviation may be further reduced.
  • the refrigerant inlet may be inclined at an inclination of 20 to 80 degrees.
  • the width of the coolant inlet has been found to have a significant influence on the temperature variation between the unit cells.
  • the width of the coolant inlet is formed in a size of 5 to 25% based on the length of the pack case corresponding to the length of the unit cell stack, the temperature variation of the coolant generated according to the mounting conditions of the device is more efficiently. It can be reduced to, it is more preferable to form in the size of 10 to 20%.
  • Opposite ends of the refrigerant inlet may be formed to have a structure spaced apart from the top surface of the unit cell stack at a height of 10% or less based on the height of the unit cell stack. This structure appropriately limits the amount of refrigerant reaching the opposite end of the refrigerant inlet, thereby further improving the uniform distribution effect of the refrigerant to the unit cells.
  • the opposite end of the refrigerant inlet may be a structure spaced apart from the top surface of the unit cell stack by about 1 to 10 mm.
  • the coolant discharge part may be formed to have a uniform height with respect to the lower end of the unit cell stack. That is, the lower inner surface of the coolant discharge unit facing the lower end of the unit cell stack may have a structure having a uniform height with the lower end of the unit cell stack.
  • some modifications may be made to increase the efficiency of refrigerant discharge.
  • the present invention also provides a vehicle that uses the battery pack as a power source and has a limited mounting space and is exposed to frequent vibrations and strong shocks.
  • the vehicle may be an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle requiring a high output large capacity.
  • the battery pack used as the power source of the vehicle can of course be manufactured in combination according to the desired output and capacity.
  • the vehicle may be an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, or a plug-in hybrid electric vehicle in which the battery pack is mounted between the trunk bottom of the vehicle or the rear seat and the trunk of the vehicle.
  • Electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles using the battery pack as a power source is known in the art, so a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of the battery pack of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view showing a structure in which the battery module of FIG. 1 is mounted in a pack case;
  • FIG. 4 is a graph illustrating a result of measuring temperature deviations of unit modules in each battery module in the battery pack structure of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a perspective view of a module housing used in the unit module according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view illustrating a coupling structure of a module housing used in a unit module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a perspective view of a unit module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 schematically shows a schematic structural diagram of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • 3 is a side vertical cross-sectional view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 100 includes a refrigerant inlet duct 180, a refrigerant inlet 110, battery modules 191 and 192, and a refrigerant outlet 120.
  • the refrigerant inlets 110 are branched from the refrigerant inlet duct 180 to correspond to the battery modules 191 and 192, respectively, and are connected to the battery modules 191 and 192, and the refrigerant inlets 111 and 112 are refrigerant inlets. Branched at an angle of about 90 degrees with respect to the refrigerant movement direction of the duct 180 is connected to each of the battery modules (191, 192).
  • the battery modules 191 and 192 are stacked in a form in which a plurality of unit modules 130 are upright or inverted, and are arranged in two rows in the stacking direction of the unit modules 130.
  • the battery modules 191 and 192 are embedded in the respective pack cases 171 and 172, and the pack cases 171 and 172 are directions in which the refrigerant for cooling the battery cells is perpendicular to the stacking direction of the unit module 130.
  • the refrigerant inlet 110 and the refrigerant outlet 120 is located on the upper and lower portions of the pack case (171, 172), the refrigerant inlet 111
  • the coolant inlet 140, which is a flow space from 112 to the battery module, and the coolant outlet 150, which is a flow space from the battery modules 191 and 192 to the coolant outlet 120, are formed.
  • the refrigerant outlet 120 extends from each pack case and is connected to one refrigerant discharge duct 121.
  • a suction fan (not shown) is provided to provide a driving force to move the coolant introduced from the coolant inlets 111 and 112 to the outlet after passing through the battery module.
  • the pack case 170 of the battery module 191, 192 is a direction perpendicular to the stacking direction (L) of the unit modules 130, the refrigerant unit
  • the coolant inlet 110 and the coolant outlet 120 are respectively formed on the upper and lower portions of the pack case 170 so as to flow from one side of the module 132 to the opposite side.
  • a small flow path 160 through which the coolant moves is formed between the unit modules 130, so that the coolant introduced from the coolant inlet 110 moves through the flow path 160 to generate heat generated in the unit module 130. After removal, the refrigerant is discharged through the outlet 120.
  • the inclination angle B of the refrigerant inlet 110 in the pack case 170 is greater than the inclination angle A of the inclined surface starting at the opposite end of the refrigerant inlet 110.
  • the flow cross-sectional area of the coolant is determined by the coolant inlet.
  • the further away from the end of the 110 is gradually reduced by the angle (A) of the inclined surface.
  • the movement speed of the refrigerant is gradually increased, but the flow rate of the refrigerant is decreased, and the refrigerant reaches the battery cells 130 located at a distance from the refrigerant inlet 110, and the battery cells adjacent to the refrigerant inlet 110 are separated from each other. All of the battery cells located far from the refrigerant inlet may be uniformly cooled.
  • the inclination angle (A) of the inclined surface has an inclination of approximately 4 degrees with respect to the top surface of the battery cell stack 132, the inclination of the refrigerant inlet 110
  • the angle B is formed on the upper inner surface 142 of the coolant inlet 140 with an inclination of approximately 20 degrees.
  • the width d of the coolant inlet is approximately 15% based on the length l of the battery pack case 170.
  • the coolant flow rate is a coolant outlet. It is possible to prevent the phenomenon in which the side 120 is located, it is possible to effectively prevent the temperature of the battery cells adjacent to the refrigerant inlet 110 to rise.
  • Opposite ends of the coolant inlet 110 are spaced apart from the top surface of the battery cell stack 132 by a height h of approximately 1 mm, thereby inclining the inclination angle B of the coolant inlet port and the inclination angle A of the inclined surface. Since only a limited amount of the refrigerant passing through reaches the opposite end of the refrigerant inlet 110, it is possible to prevent the battery cells 130 adjacent to the opposite end from being overcooled.
  • the battery pack can provide a compact shape with less protruding in a specific direction, there is an excellent advantage in terms of space efficiency. In addition, even when dividing into two rows, it was confirmed that there was almost no temperature difference between the battery modules 191 and 192.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a result of measuring temperature deviation of unit modules in two rows of battery modules in the battery pack structure of FIG. 1.
  • FIG. 4 illustrates the temperature of the battery cells stacked in the pack cases 171 and 172 adjacent to the refrigerant outlet 120 in the pack case 171 and 172 of FIG. 2.
  • the measurement results from the battery cell to the battery cell located at the refrigerant inlet 110 are shown. That is, battery cell number 1 denotes a battery cell adjacent to the coolant outlet 120 in the pack case 171, and battery cell number 12 denotes a battery cell adjacent to the coolant inlet 111 in the pack case 171.
  • battery cell number 13 denotes a battery cell adjacent to the coolant outlet 120 in the pack case 172, and battery cell number 24 denotes a battery cell adjacent to the coolant inlet 112 in the pack case 172.
  • the temperature measurement experiment was carried out under a condition that a predetermined load is applied to the battery cell and the ambient air temperature is room temperature.
  • the inclination angle B of the refrigerant inlets 111 and 112 was arbitrarily set to 20 degrees, and the experiment was conducted by arbitrarily setting to 4 degrees as the inclination angle of the upper inner surface 142 of the refrigerant inlet.
  • Each experiment was carried out at 80 CMH (Cubic Meter per Hour, cm 3 / h), with maximum inlet and outlet heights of 18mm-15mm (i18o15), 18mm-20mm (i18o20) and 20mm-25mm (i20o25), respectively. The experiment was conducted.
  • the temperature deviation of each battery module was about 2.5 °C in case of 80CMHi18o15, but the temperature deviation of each battery module was hardly shown, and the temperature deviation in each battery module was about 1.5 °C in case of 80CMHi18o20 and 80CMHi20o25. However, the temperature variation between each battery module was hardly seen.
  • the length of the battery cells is shorter in the stacking direction, so the difference in the movement distance of the refrigerant is reduced, thereby reducing the temperature variation between the battery cells, and the overall temperature variation is reduced because there is almost no temperature deviation between the battery modules. Able to know.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a module housing used for the unit module according to an embodiment of the present invention.
  • Module housing 200 is composed of a pair of the left housing 211 and the right housing 212, it may be a structure that is coupled to each other without using a separate fastening member.
  • a thermistor (not shown) is attached to the center of each cover constituting the module housing 200, which is connected to an external connector (not shown) through a cable.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view illustrating a coupling structure of the module housing.
  • the curved structures 221a, 222a, 221b which correspond to each other in a vertical cross section so that the module housings 211 and 212 may be engaged by an elastic coupling when the module housings 211 and 212 are pressed to face each other are pressed.
  • the curved structure may be formed in a square or a circle. Therefore, a strong mechanical coupling is possible without having to go through a separate coupling member or processing process for the assembly of the module housing 200, and such a simple coupling method is particularly preferable for application to a mass production process.
  • FIG. 7 is a perspective view of a unit module according to an embodiment of the present invention.
  • a pair of module housings 200 are mounted on the outside of the overlapped battery cell stack 100 to compensate for the weak mechanical characteristics of the battery cell 500.
  • One electrode terminal 520 of the battery cell is bent in a 'c' shape by being joined to each other by welding, the opposite electrode terminal 521 is bent outward to be coupled to the electrode terminal of the battery module stacked on the side have.
  • the module housing 200 is composed of a pair of high-strength metal plate coupled to each other to surround the entire outer surface of the battery cell stack except for the electrode terminal portion. Steps 240 are formed on side surfaces adjacent to the left and right ends of the module housing 200 to facilitate fixing of the module, and steps 250 are also formed on the top and the bottom thereof. In addition, longitudinal fixing parts 260 are formed at the top and bottom of the module housing 200 to facilitate mounting of the module.
  • the outer surface of the module housing 200 is formed with a plurality of linear protrusions spaced apart from each other in the width direction, the indentation formed in the middle is formed with an indentation 233 for mounting the thermistor, among the linear protrusions Projections 231 and 232 of opposite shapes are formed on the upper and lower protrusions, respectively.
  • the battery pack according to the present invention is composed of two or more battery modules, the space can be utilized more efficiently, and when the vehicle pack is mounted on the vehicle, the dead space inside the vehicle can be minimized.
  • the battery pack according to the present invention may have a structure for cooling each battery module while maintaining almost no temperature variation of the battery cells for each battery module.

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Abstract

전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고, 상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

우수한 냉각 효율성의 전지팩
본 발명은 우수한 냉각 효율성의 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고, 상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 전지팩이 사용된다.
전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 전지팩의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 이점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
전지팩이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다. 이와 더불어, 소정의 장치 내지 디바이스에 장착되어 사공간(dead space)을 최소화할 수 있도록, 공간 활용에 있어 효율적이어야 한다.
또한, 중대형 전지모듈을 구성하는 전지셀들은 충방전이 가능한 이차전지로 구성되어 있으므로, 이와 같은 고출력 대용량 이차전지는 충방전 과정에서 다량의 열을 발생시키는 바, 충방전 과정에서 발생한 단위전지의 열이 효과적으로 제거되지 못하면, 열축적이 일어나고 결과적으로 단위전지의 열화를 촉진하며, 경우에 따라서는 발화 또는 폭발의 위험성도 존재한다. 따라서, 고출력 대용량의 전지인 차량용 전지팩에는 그것에 내장되어 있는 전지셀들을 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하다.
한편, 다수의 전지셀들로 구성된 전지팩에서, 일부 전지셀의 성능 저하는 전체 전지팩의 성능 저하를 초래하게 된다. 이러한 성능 불균일성을 유발하는 주요 원인 중의 하나는 전지셀들 간의 냉각 불균일성에 의한 것이므로, 유로의 형상을 최적화하여 냉매의 유동시 온도 편차를 최소화할 수 있는 구조가 요구된다.
따라서, 이러한 복합적인 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험들과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 특정한 구조를 가진 전지팩을 개발하게 되었으며, 이러한 전지팩은 냉각 효율성 및 공간 효율성이 높은 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 중대형 전지팩은, 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서, 상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고, 상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.
일반적으로 전지팩에서 냉각 효율의 편차가 발생하는 것은 냉매 유입구 부위의 전지셀 또는 단위모듈과 냉매 유입구에 대향하는 부위의 전지셀 또는 단위모듈 사이의 냉각 성능 차이에 의한 것이 지배적이다. 상기 냉각 효율은 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향의 길이가 길어질수록, 즉, 냉매 유입부에서 냉매의 이동 거리가 길어질수록 편차가 크게 나타난다.
또한, 전지팩의 체적이 동일한 범위에서 일측 모서리가 지나치게 길어지면 전지팩을 탑재하는 수용체의 공간 효율성이 문제가 될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈이 2열 이상 배열되어 있으므로 1열로 팩을 구성하는 것보다 콤팩트한 크기를 가질 수 있어서, 사공간(dead space)을 줄이고 공간 효율성을 극대화할 수 있다. 또한, 각각의 전지모듈의 사이의 온도 편차도 증가하지 않은 것을 확인하였다.
상기 단위모듈은, 예를 들어, 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 모듈 하우징을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 모듈 하우징은 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다.
상기 모듈 하우징은 전지셀을 수납할 수 있으면 어느 구조라도 가능하지만, 비제한적인 하나의 예에서 전지셀 적층체의 외면 형상에 대응하는 내면 구조를 가지고 있으며, 특히 별도의 체결 부재를 필요로 하지 않는 조립 체결방식으로 결합되는 구조로 이루어져 있을 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 단위모듈은 금속 소재의 모듈 하우징 내부에 두 개의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 이차전지이다. 그러한 바람직한 예로는 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있고 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조의 이차전지를 들 수 있으며, 구체적으로, 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 구조의 이차전지를 파우치형 전지셀로 칭하기도 한다.
상기 파우치형 전지셀에서 셀 케이스는 다양한 구조로 이루어질 수 있는 바, 예를 들어, 2 단위의 부재로서 상부 및/또는 하부 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체를 수납한 후 상하부 접촉부위를 밀봉하는 구조일 수 있다. 상기와 같은 구조의 파우치형 전지셀은 본 출원인의 PCT 국제출원 제PCT/KR2004/003312호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
상기 전극조립체는 충방전이 가능할 수 있도록 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 예를 들어, 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 적층된 구조로서 젤리-롤 방식, 스택형 방식, 또는 스택/폴딩형 방식으로 이루어져 있다. 상기 전극조립체의 양극과 음극은 그것의 전극 탭이 직접 전지의 외부로 돌출된 형태이거나, 또는 상기 전극 탭이 별도의 리드에 접속되어 전지의 외부로 돌출된 형태일 수 있다.
전지모듈 내부 또는 전지모듈 상호간의 전지셀들은 직렬 및/또는 병렬 방식으로 연결되어 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 전지셀들을 그것의 전극단자들이 연속적으로 상호 인접하도록 길이방향으로 직렬 배열한 상태에서 상기 전극단자들을 결합시킨 뒤, 둘 또는 그 이상의 단위로 전지셀들을 중첩되도록 접고 소정의 단위로 모듈 하우징에 의해 감쌈으로써 다수의 전지모듈들을 제조할 수 있다.
상기 전극단자들의 결합은 용접, 솔더링, 기계적 체결 등 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 용접으로 달성될 수 있다.
상기 전지셀의 외주면 실링부 중 측면 실링부는 모듈 하우징의 내면 형상에 대략 일치하도록 절곡시킴으로써 공간 활용도를 향상시켜 보다 컴팩트한 구조의 전지모듈을 제조할 수 있다.
상기와 같이 전지셀의 상하 양단부에 전극단자가 돌출되어 있는 구조에서, 홀수 개의 전지셀을 직렬로 연결하는 경우, 단위모듈에서 전극단자가 양단부에 위치하게 되어 이후 공정에 용이하지 않을 수 있으므로, 짝수 개의 전지셀을 직렬로 연결하는 것이 바람직하다. 또한, 3개 이상의 전지셀을 단위모듈로 하는 경우, 최외곽 전지셀 이외의 전지셀들은 상기 모듈 하우징에 의해 직접적으로 고정되지 않아 진동 등에 의하여 문제를 초래할 가능성이 있다.
또한, 상기 모듈 하우징은 적층되었을 때 유로를 확보하기 위하여, 외주면에 돌기가 형성되어 있을 수 있다. 상기 돌기는 단위모듈들이 적층될 경우, 서로 맞닿아 돌기가 없는 부분에 냉매가 이동할 수 있도록 유로를 형성한다.
다른 하나의 바람직한 예에서, 상기 모듈 하우징의 전지셀의 전극이 돌출되는 면에 대응하는 부분은 다른 부분보다 낮게 형성되어 있어서, 상기 전지셀의 전극이 돌출되는 면을 고정시키는 역할을 한다.
상기 전지셀은 충방전이 가능한 이차전지이면 어느 것이나 사용이 가능하지만, 바람직하게는 중량대비 출력 또는 용량의 면에서 리튬 이차전지인 것이 바람직하다.
상기 전지모듈들은 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 2열 이상 배열되어 있는 것이 바람직하다.
일반적으로, 냉매는 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 유입되어 전지셀 또는 단위모듈의 사이를 관통하여 배출된다. 따라서, 상기와 같이 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 2열 이상 배열되면 냉매 유입부의 길이가 짧아지므로 냉각 효율이 높아지고, 동일 전지모듈 내의 전지셀 또는 단위모듈의 온도 편차를 줄일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 60 내지 120도의 각도로 분기되어 있는 것일 수 있다.
상기와 같은 각도 범위 내에서 냉매 유입구가 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 있는 구조에 의해 보다 컴팩트한 전지팩을 구성할 수 있다. 상기와 같은 이유로, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 90도의 각도로 분기되어 있는 것이 바람직하다.
상기 냉매 배출 덕트는 배출구가 연결되는 지점에서 상부 방향으로 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 냉매 배출 덕트가 상부 방향으로 형성되는 경우, 상기 전지 모듈의 측면을 따라 형성될 수 있으므로, 전체 전지팩의 공간 효율성을 높게 할 수 있다. 냉매 배출 덕트가 하부 방향으로 형성되는 경우에는 덕트의 길이만큼 하부로 돌출되는 구조가 되고, 전지셀의 적층 방향으로 배출구가 형성되는 경우에도 덕트의 길이만큼 상기 방향으로 돌출되는 구조가 되므로, 바람직하지 않다.
상기 냉매 배출구 쪽에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있는 구동력을 제공하는 흡입 팬이 장착되어 있는 구조일 수 있다.
유입구 쪽에 송풍 팬이 설치될 경우, 전지팩이 탑재되는 디바이스의 내부에서 팬의 구동 소음이 클 수 있다. 또한, 상기와 같이 흡입 팬으로 구동력을 제공하는 경우, 유입구를 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 소정의 각도로 분기하는 경우에도 각각의 전지모듈로 균일한 양의 냉매가 제공될 수 있다는 것을 확인하였다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 흡입 팬은, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈에 대한 충격을 최소화할 수 있도록, 전지모듈의 상단부보다 높은 위치에 장착되는 구조일 수 있다.
따라서, 흡입팬이 전지모듈 어셈블리의 상단보다 높은 위치에 장착되어 있어서, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 흡입팬이 전지모듈 어셈블리에 대한 충격을 주는 것을 최소화하여 전지팩의 안전성을 담보할 수 있다.
또한, 흡입팬이 전지모듈의 어셈블리의 측면을 따라 냉매 배출구로부터 상향 연장되어 있는 냉매 배출 덕트와 연결되어 있으므로, 냉매가 냉매 유입부로부터 전지모듈을 관통한 후 냉매 배출구로 이동되는 속도를 빠르게 하여 전지셀들 또는 단위모듈들의 냉각 효율성을 향상시킬 수 있다.
상기 냉매 유입부의 상단 내면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로 냉매 유입부가 넓어지도록, 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면에 대해 기울어진 경사면 구조로 이루어질 수 있다.
상기 냉매 유입부의 상면과 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면이 평행한 구조로 이루어져 있는 경우, 유량이 냉매 유입구 근처의 유로에서 많이 감소하여 전지셀 또는 단위모듈들 간의 온도 편차가 높다는 문제점을 가지고 있다.
반면에, 상기와 같은 경사면 구조로 냉매 유입부의 상단 내면이 형성되어 있는 경우, 이러한 온도 편차를 줄일 수 있어 전지팩의 성능 저하를 막을 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 경사면의 기울기 각도는 3 내지 8도인 것을 들 수 있다.
3도 이하의 기울기를 가지는 경우, 온도 편차가 줄어드는 것에 효율적이지 못하고, 8도 이상인 경우, 유입구의 높이가 높아지므로, 컴팩트한 구조를 형성할 수 없고, 유입구의 단면적이 커짐에 따라 냉매의 속도가 느려질 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 냉매 유입구가 상기 냉매 유입부의 상단 내면의 기울기보다 더 큰 크기로 기울어져 있는 경우에 상기 온도 편차가 더욱 줄어들 수 있다. 바람직하게는, 상기 냉매 유입구가 20 내지 80도의 기울기로 기울어져 있는 구조일 수 있다.
상기 냉매 유입부의 상단 내면을 앞서 언급한 바와 같은 특정 경사 구조로 형성한 경우 이외에, 냉매 유입구의 폭이 단위 셀들간 온도 편차에 영향을 많이 미치는 요인으로 밝혀졌다.
따라서, 상기 냉매 유입구의 폭을 단위 셀 적층체의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 형성하는 경우, 디바이스의 장착 조건에 따라 발생하는 냉매의 온도 편차를 보다 효율적으로 감소시킬 수 있으며, 10 내지 20%의 크기로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 냉매 유입구의 대향 단부는 단위 셀 적층체의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 이격되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 냉매 유입구의 대향 단부에 도달하는 냉매의 양을 적절히 제한하므로, 단위 셀들에 대한 냉매의 균일한 분배 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이 경우, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 바람직하게는 단위 셀 적층체의 상단면으로부터 1 내지 10 mm 정도 이격된 구조일 수 있다.
상기 냉매 배출부는 단위 셀 적층체의 하단부에 대해 균일한 높이를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 단위 셀 적층체의 하단부에 대면하는 냉매 배출부의 하단 내면은 단위 셀 적층체의 하단과 균일한 높이를 가지는 구조로 이루어질 수 있다. 그러나, 냉매 배출의 효율성을 높이기 위해 일부 변형된 구조도 가능함은 물론이다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 사용하며 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 차량을 제공한다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 차량은 고출력 대용량을 요구하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
자동차의 전원으로 사용되는 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 조합하여 제조될 수 있음은 물론이다.
이 경우, 상기 자동차는 전지팩이 차량의 트렁크 하단부 또는 차량의 리어 시트와 트렁크 사이에 장착되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지팩의 개략적인 구조도이다;
도 3은 도 1의 전지모듈을 팩 케이스에 장착한 구조를 나타내는 수직 단면 모식도이다;
도 4는 도 1의 전지팩 구조에서 각각의 전지모듈 내부의 단위모듈들의 온도 편차를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈에 사용되는 모듈 하우징의 사시도이다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈에 사용되는 모듈 하우징의 결합구조를 나타낸 부분 확대도이다;
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 개략적인 구조도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 측면 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 냉매 유입 덕트(180), 냉매 유입구(110), 전지모듈(191, 192), 및 냉매 배출구(120)로 이루어져 있다.
냉매 유입구(110)는 각 전지모듈(191, 192)에 대응하여 냉매 유입 덕트(180)로부터 각각 분기되어 전지모듈(191, 192)과 연결되어 있으며, 각 냉매 유입구(111, 112)는 냉매 유입 덕트(180)의 냉매 이동 방향에 대해 약 90도의 각도로 분기되어 각각의 전지모듈(191, 192)로 연결된다.
전지모듈(191, 192)은 단위모듈(130)들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있고, 단위모듈(130)의 적층 방향으로 2열로 배치되어 있다. 전지모듈(191, 192)은 각각의 팩 케이스(171, 172)에 내장되어 있고, 팩 케이스(171, 172)는 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 단위모듈(130)의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈(191, 192)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구(110)와 냉매 배출구(120)가 팩 케이스(171, 172)의 상부 및 하부에 위치하고 있으며, 상기 냉매 유입구(111, 112)로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간인 냉매 유입부(140)과 전지모듈(191, 192)로부터 냉매 배출구(120)에 이르는 유동 공간인 냉매 배출부(150)가 각각 형성되어 있다.
냉매 배출구(120)는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트(121)로 연결되어 있다. 냉매 배출구(120) 쪽에는 냉매 유입구(111, 112)로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있는 구동력을 제공하는 흡입 팬(도시하지 않음)이 장착되어 있다.
전지모듈(191, 192)에 대해 더욱 구체적으로 설명하면, 전지모듈(191, 192)의 팩 케이스(170)는 단위모듈들(130)의 적층방향(L)에 수직한 방향으로, 냉매가 단위모듈(132)의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록 냉매 유입구(110)와 냉매 배출구(120)가 상호 반대방향으로 팩 케이스(170)의 상부 및 하부에 각각 형성되어 있다.
단위모듈들(130) 사이에는 냉매가 이동할 수 있는 작은 유로(160)가 형성되어 있어서, 냉매 유입구(110)로부터 유입된 냉매가 유로(160)를 통해 이동하면서 단위모듈(130)에서 발생한 열을 제거한 후, 냉매 배출구(120)를 통해 배출되게 된다.
팩 케이스(170)에서 냉매 유입구(110)의 기울기 각도(B)가 냉매 유입구(110)의 대향 단부에서 시작하는 경사면의 기울기 각도(A) 보다 크다.
냉매가 냉매 유입구(110)로부터 도입되어 냉매 유입구(110)의 기울기 각도(B)와 경사면의 기울기 각도(A)를 가진 냉매 유입부(140) 내부를 따라 이동할 때, 냉매의 유동 단면적은 냉매 유입구(110)의 단부에서 멀어질수록 경사면의 각도(A)에 의해 점차 줄어들게 된다. 이 과정에서 냉매의 이동 속도는 점차 빨라지지만 냉매 유량은 감소하게 되어, 냉매가 냉매 유입구(110)로부터 먼 거리에 위치한 전지셀들(130)까지 도달하면서 냉매 유입구(110)와 인접한 전지셀들과 냉매 유입구로부터 먼 거리에 위치한 전지셀들 모두가 균일하게 냉각될 수 있다.
냉매의 균일성을 높여 온도 편차를 최소화할 수 있도록, 경사면의 기울기 각도(A)는 전지셀 적층체(132)의 상단면을 기준으로 대략 4도의 기울기를 가지고 있고, 냉매 유입구(110)의 기울기 각도(B)는 대략 20도의 기울기를 가지면서 각각 냉매 유입부(140)의 상단 내면(142)에 형성되어 있다. 또한, 냉매 유입구의 폭(d)은 대략 전지팩 케이스(170)의 길이(l)를 기준으로 15%의 크기로 형성되어 있다.
또한, 전지팩 케이스(170)는, 냉매 유입구(110)의 대향 단부의 기울기(A)가 냉매 유입구(110)의 기울기(B)보다 작은 2개의 경사진 구조로 이루어져 있으므로, 냉매 유량이 냉매 배출구(120)가 있는 쪽으로 몰리는 현상을 방지할 수 있어서, 냉매 유입구(110)에 인접한 전지셀들의 온도가 상승하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
냉매 유입구(110)의 대향 단부는 전지셀 적층체(132)의 상단면으로부터 대략 1 mm의 높이(h)로 이격되어 있어서, 냉매 유입구의 기울기 각도(B) 및 경사면의 기울기 각도(A)를 통과한 냉매 중 한정된 양의 냉매만이 냉매 유입구(110)의 대향 단부에 도달함으로써, 대향 단부에 인접한 전지셀들(130)이 과냉각되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 구조를 가짐으로써 상기 전지팩은 특정 방향으로 돌출이 적은 컴팩트한 형상을 제공할 수 있으므로, 공간 효율성 면에서 우수한 장점이 있다. 또한, 2열로 나누어 분기하는 경우에도 각 전지모듈(191, 192) 간에 온도 편차가 거의 없는 것을 확인하였다.
도 4에는 도 1의 전지팩 구조에서 2개 열의 전지모듈 내부의 단위모듈들의 온도 편차를 측정한 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 4를 도 2와 함께 참조하면, 도 4은 도 2의 팩 케이스(171, 172) 구조에서, 팩 케이스(171, 172) 내에 각각 적층되어 있는 전지셀들의 온도를 냉매 배출구(120)에 인접한 전지셀부터 냉매 유입구(110)에 위치한 전지셀까지 측정한 결과를 나타내고 있다. 즉, 전지셀 번호 1은 팩 케이스(171) 내의 냉매 배출구(120)에 인접한 전지셀을 나타내고, 전지셀 번호 12는 팩 케이스(171) 내의 냉매 유입구(111)에 인접한 전지셀을 의미한다. 또한, 전지셀 번호 13은 팩 케이스(172) 내의 냉매 배출구(120)에 인접한 전지셀을 나타내고, 전지셀 번호 24는 팩 케이스(172) 내의 냉매 유입구(112)에 인접한 전지셀을 의미한다.
상기 온도 측정 실험은 전지셀에 소정의 부하를 인가하고 외기 온도가 상온인 조건에서 실시하였다. 또한, 냉매 유입구(111, 112)의 기울기 각도(B)는 표준 각도로서 임의로 20도를 정하고, 냉매 유입부의 상단 내면(142)의 기울기 각도로서 임의로 4도로 정하여 실험을 실시하였다. 각 실험은 80 CMH(Cubic Meter per Hour, cm3/h)의 풍량으로, 유입구와 배출구의 최대 높이를 각각 18mm-15mm(i18o15), 18mm-20mm(i18o20) 및 20mm-25mm(i20o25)로 하여 실험을 실시하였다. 실험 결과, 80CMHi18o15인 경우 각 전지모듈 내의 온도 편차가 약 2.5℃ 나타났으나, 각 전지모듈 상호간의 온도 편차는 거의 나타나지 않았고, 80CMHi18o20 및 80CMHi20o25인 경우에는 각 전지모듈 내의 온도 편차가 약 1.5℃로 나타났으나, 각 전지모듈 상호간의 온도 편차는 거의 나타나지 않았다.
전지셀을 1열로 구성하는 경우에 비하여 전지셀의 적층 방향의 길이가 짧으므로 냉매의 이동거리 차이가 줄어들어 각 전지셀간 온도 편차가 줄어들고, 각 전지모듈간의 온도편차가 거의 없으므로 전체 온도 편차가 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈에 사용되는 모듈 하우징의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지셀 적층체(500)의 외면 전체를 감싸는 구조의 한 쌍의 고강도 모듈 하우징(200)이 도시되어 있는 바, 모듈 하우징(200)은 기계적 강성이 낮은 전지셀을 보호하면서 충방전시의 반복적인 팽창 및 수축의 변화를 억제하여 전지셀의 실링부위가 분리되는 것을 방지하여 준다. 모듈 하우징(200)은 한 쌍의 좌측 하우징(211)과 우측 하우징(212)으로 이루어져 있으며, 별도의 체결 부재를 사용하지 않고 상호 결합되는 구조일 수 있다. 모듈 하우징(200)을 구성하는 각 일측 커버의 중앙에는 써미스터(도시하지 않음)가 부착되어 있고, 이는 케이블을 통해 외부의 커넥터(도시하지 않음)와 연결된다.
도 6에는 상기 모듈 하우징의 결합구조를 나타낸 부분 확대도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 모듈 하우징들(211, 212)이 서로 대면하도록 접촉시킨 상태로 가압하였을 때 탄력적인 결합에 의해 맞물릴 수 있도록, 수직 단면상으로 상호 대응되는 굴곡 구조(221a, 222a, 221b, 222b)로 이루어져 있다. 상기 굴곡 구조는 사각형 또는 원형으로 형성될 수 있다. 따라서, 모듈 하우징(200)의 조립을 위해서 별도의 결합 부재 내지 가공 공정을 거칠 필요 없이 강력한 기계적 결합이 가능하며, 그러한 간편한 결합 방식은 양산 공정에의 적용에 특히 바람직하다.
도 7에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위모듈의 사시도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 상기 중첩되게 접혀진 전지셀 적층체(100)의 외부에는 한 쌍의 모듈 하우징(200)이 장착되어 전지셀(500)의 약한 기계적 특성을 보완하고 있다. 전지셀의 일측 전극단자(520)는 서로 용접에 의해 결합되어 'ㄷ'자 모양으로 절곡되어 있고, 반대편 전극단자(521)는 측면에 적층되는 전지 모듈의 전극단자와 결합되기 위해서 바깥쪽으로 절곡되어 있다.
모듈 하우징(200)은 전극단자 부위를 제외하고 전지셀 적층체의 외면 전체를 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 모듈 하우징(200)의 좌우 양단에 인접한 측면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(240)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(250)가 형성되어 있다. 또한, 모듈 하우징(200)의 상단과 하단에는 종방향 고정부(260)가 형성되어 있어 모듈의 장착을 용이하게 한다. 모듈 하우징(200)의 외면에는 폭 방향으로 서로 이격되어 있는 다수의 선형 돌출부가 형성되어 있는데, 가운데 형성되어 있는 돌출부에는 써미스터의 장착을 위한 만입부(233)가 형성되어 있으며, 상기 선형 돌출부들 중에서 상단과 하단의 돌출부에는 상호 반대되는 형상의 돌기(231, 232)가 각각 형성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 2열 이상의 전지모듈로 구성되어 있으므로, 공간을 더욱 효율적으로 활용할 수 있어, 차량에 장착되는 경우 차량 내부의 사공간를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은 각 전지모듈별로 냉각시키는 구조를 가지면서도 각 전지모듈별로 전지셀의 온도 편차가 거의 없게 유지시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 전지셀들 자체 또는 둘 또는 그 이상의 전지셀들이 내장된 단위모듈들 다수 개가 직립 또는 도립된 형태로 적층되어 있는 전지모듈을 2열 이상 포함하고 있는 전지팩으로서,
    상기 전지모듈들은 전지모듈 별로 각각의 팩 케이스에 내장되어 있고,
    상기 팩 케이스에는, 전지셀들의 냉각을 위한 냉매가 전지셀 또는 단위모듈의 적층방향에 수직한 방향으로 전지모듈의 일측으로부터 대향측으로 유동할 수 있도록, 냉매 유입구와 냉매 배출구가 팩 케이스의 상부 및 하부에 위치하고 있으며,
    상기 냉매 유입구로부터 전지모듈에 이르는 유동 공간('냉매 유입부')과 전지모듈로부터 냉매 배출구에 이르는 유동 공간('냉매 배출부')이 팩 케이스에 각각 형성되어 있고,
    상기 냉매 유입구는 하나의 냉매 유입 덕트로부터 분기되어 각각의 팩 케이스에 연결되고, 상기 냉매 배출구는 각각의 팩 케이스에서 연장되어 하나의 냉매 배출 덕트에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위모듈은 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 모듈 하우징을 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단위모듈은 금속 소재의 모듈 하우징의 내부에 두 개의 전지셀들이 장착되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 전지셀 또는 단위모듈의 적층 방향으로 2열 이상 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 60 내지 120도의 각도로 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 냉매 유입 덕트의 냉매 이동 방향에 대해 90도의 각도로 분기되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출 덕트는 배출구가 연결되는 지점에서 상부 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출구 쪽에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 배출구로 이동할 수 있는 구동력을 제공하는 흡입 팬이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 흡입 팬은, 전지팩의 측면 방향으로부터 외력의 인가시 전지모듈에 대한 충격을 최소화할 수 있도록, 전지모듈의 상단부보다 높은 위치에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입부의 상단 내면은 냉매 유입구의 대향 단부에서 냉매 유입구 방향으로 냉매 유입부가 넓어지도록, 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면에 대해 기울어진 경사면 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 경사면의 기울기 각도는 3 내지 8도인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 폭은 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 길이에 대응하는 팩 케이스의 길이를 기준으로 5 내지 25%의 크기로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 높이를 기준으로 10% 이하의 높이로 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면으로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉매 유입구의 대향 단부는 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 상단면으로부터 1 내지 10 mm의 높이로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출부는 전지셀 또는 단위모듈의 적층체의 하단부에 대해 동일한 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 차량은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 차량.
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