WO2013119028A1 - 신규한 공냉식 구조의 전지팩 - Google Patents

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이범현
정재호
최용석
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
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Definitions

  • the present invention provides a battery pack having a novel air-cooled structure, specifically, a battery pack having a plurality of battery modules including a battery cell or a unit module ('unit cell') capable of charging and discharging in a pack case.
  • Two or more of the unit cells constitute one battery module;
  • Two or more of the battery modules are arranged in a length direction of the battery pack to constitute one battery module group;
  • Two battery module groups are arranged in the width direction of the battery pack in a spaced state so as to form a refrigerant discharge therebetween;
  • a coolant inlet port is independently positioned for each battery module at a pack case portion of the battery module opposite to the coolant discharge unit;
  • One refrigerant outlet is formed on the front or rear of the pack case in the longitudinal direction of the battery pack so that the refrigerant introduced by the refrigerant inlet can be discharged together after cooling the unit cell while passing through each of the battery modules. It relates to a battery pack.
  • Secondary batteries capable of charging and discharging have been widely used as energy sources of wireless mobile devices. Secondary batteries are also attracting attention as a power source for electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), which are proposed as a way to solve air pollution in conventional gasoline and diesel vehicles that use fossil fuels. .
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • One or two or four battery cells are used for small mobile devices, whereas medium and large battery modules, which are electrically connected to a plurality of battery cells, are used in medium and large devices such as automobiles due to the necessity of high output capacity.
  • the medium-large battery module is preferably manufactured in a small size and weight
  • the rectangular battery, the 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 the medium-large battery module.
  • 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.
  • the medium-large battery module In order for the medium-large battery module to provide the output and capacity required by a given device or device, it is necessary to electrically connect a plurality of battery cells in series or in series and in parallel, and to maintain a stable structure against external force.
  • 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 power storage device is mainly used a method of packaging a plurality of battery packs in a rack drawer type.
  • Drawer type packaging refers to a method in which a series of battery packs are vertically stacked and inserted into one rack.
  • the battery packs since the battery packs must be stacked up and down, a space for the flow path cannot be separately formed at the top and the bottom of the battery pack.
  • the battery modules For the drawer type packaging, the battery modules must be placed in a lying state in order to provide not only cooling but also space efficient design. Can be.
  • the power storage device requires a high energy density and uniform battery life and performance, and thus, a compact design is required for not only a battery pack but also a rack.
  • a battery module arrangement and a coolant flow path shape inside the battery pack 100 may be possible.
  • the battery modules are arranged in the flow path direction, external air immediately flows into the battery modules of the first row, and the warmed air is absorbed by the heat absorbed from the batteries of the first row to the battery modules of the second row.
  • the degree is different, there is a problem that the life of the battery cell is shortened.
  • 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.
  • An object of the present invention is to arrange the two battery module groups in the width direction of the battery pack in a state in which the refrigerant discharge portion is formed therebetween, thereby minimizing the temperature deviation and differential pressure between the battery module or unit cells generated for each cell It is to provide a battery pack to suppress the degradation of the module or unit cell and improve the cooling efficiency.
  • the battery pack according to the present invention for achieving the above object is a battery pack containing a plurality of battery modules including a battery cell or a unit module ('unit cell') capable of charging and discharging in a pack case,
  • Two or more of the unit cells constitute one battery module
  • Two or more of the battery modules are arranged in a length direction of the battery pack to constitute one battery module group;
  • Two battery module groups are arranged in the width direction of the battery pack in a spaced state so as to form a refrigerant discharge therebetween;
  • a coolant inlet port is independently positioned for each battery module at a pack case portion of the battery module opposite to the coolant discharge unit;
  • One refrigerant outlet is formed in the front or rear of the pack case in the longitudinal direction of the battery pack so that the refrigerant introduced by the refrigerant inlet can be discharged together after cooling the unit cell while passing through the respective battery modules. consist of.
  • the battery pack according to the present invention is arranged in the width direction of the battery pack in a state in which the two battery module groups are spaced apart so that the refrigerant discharge portion is formed therebetween, without having to form a refrigerant discharge portion on the top or bottom of the pack case Therefore, it can be configured compactly in the vertical direction.
  • the refrigerant inlet is independently located for each battery module in the pack case portion of the battery module opposite to the refrigerant discharge portion, the length and flow rate of the refrigerant are reduced by half to flow. The temperature difference and the differential pressure generated in the battery modules in the direction can be reduced.
  • the refrigerant inlet may be a structure formed on the pack case in a plurality of through-holes or slit structure, in this case, there is an advantage that does not require a space for a separate refrigerant inlet.
  • the refrigerant inlet of the structure can introduce a large amount of refrigerant from the outside at a time.
  • the pack case is not particularly limited as long as it can easily incorporate battery modules.
  • the pack case may include a lower case in which the battery modules are mounted, and an upper case covering an upper surface of the lower case.
  • the pack case in which the refrigerant inlets are formed and the battery module may be spaced apart from each other to form a refrigerant flow section in which the refrigerant introduced through the refrigerant inlet is dispersed and introduced into the battery module. Therefore, since the coolant flows to perform cooling of the battery modules while being dispersed by the coolant flow space, the coolant may have a structure capable of achieving uniform cooling.
  • each of the battery modules in the battery module group has the same width, the flow rate or flow rate of the refrigerant flowing into the battery module relative to the battery module spaced from the refrigerant outlet than the battery module adjacent to the refrigerant outlet relative It may be a structure that is set large.
  • the flow rate or the flow rate of the refrigerant is set to increase linearly along the longitudinal arrangement of the battery modules in the battery module group, it is possible to make the cooling of the battery modules as a whole uniform.
  • the flow rate or flow rate of the refrigerant flowing into each of the battery modules in the battery module group is set to be the same, and the battery modules are spaced from the battery module farther from the refrigerant outlet than the battery module adjacent to the refrigerant outlet.
  • the width of the battery module through which the refrigerant passes may be set to be relatively small.
  • the width of the battery module is set to decrease linearly along the longitudinal arrangement of the battery modules in the battery module group, so that the cooling of the battery modules can be made uniform throughout.
  • the width of the coolant discharge part may have a size of 5 to 50% based on the width of the battery pack.
  • the width of the refrigerant discharge portion is smaller than the size of 5% based on the width of the battery pack, the desired refrigerant uniformity cannot be achieved, and the width of the refrigerant discharge portion is 50% based on the width of the battery pack. If larger, the size of the overall battery pack increases, which is not preferable.
  • the coolant channels in each battery module may have a structure of forming a “a” shaped coolant channel based on the coolant outlet.
  • the coolant inlet and / or the coolant discharge port is a refrigerant flowing from the coolant inlet to pass through the battery module to move quickly and smoothly to the coolant discharge port to be discharged to the outside of the battery pack, preferably, a coolant A drive fan can be further mounted that can provide a flow drive force of.
  • the refrigerant inlet and / or the refrigerant outlet may be a structure that is connected to the air conditioning system.
  • the refrigerant inlet has a structure that is connected to an air conditioning system such as an air conditioning system of the vehicle so that the cooled low-temperature air flows in, the unit cell more effectively using the low temperature air introduced from the air conditioning system Can cool them.
  • an air conditioning system such as an air conditioning system of the vehicle
  • the battery pack according to the present invention is preferable in a structure in which cooling efficiency is particularly problematic, that is, a structure in which the length of the battery pack is 1.1 times or more than the width, more preferably in the size of 1.2 times to 6 times.
  • the battery pack may be formed in a symmetrical structure with respect to the coolant discharge unit, for the uniform flow of the coolant. Therefore, the length of the flow path can be greatly reduced as compared with the conventional refrigerant flow path, which is very preferable.
  • the battery module may include, for example, 8 to 24 unit cells.
  • battery module refers to a structure of a battery system capable of mechanically coupling two or more charge / discharge battery cells or unit modules and simultaneously electrically connecting them to provide a high output large capacity electricity. As it is meant to be inclusive, it includes all cases that constitute one device per se or a part of a large device.
  • a large battery module may be configured by connecting a plurality of small battery modules, or a plurality of unit modules may be connected by connecting a small number of battery cells.
  • the unit cells may have a structure in which the refrigerant passes through the unit cells and is spaced apart from each other in a size of 5 to 50% based on the thickness of the unit cell so as to effectively cool the unit cells.
  • the separation space between the unit cells is less than 5% based on the thickness of the unit cell, it is difficult to obtain a cooling effect of the desired refrigerant, and when the size exceeds 50%, the size of the battery module including a plurality of unit cells Is not preferable because is large as a whole.
  • the unit module for example, a structure in which the plate-shaped battery cells are formed in the upper and lower electrode terminals, respectively, interconnected in series, two or more batteries in which the electrode terminals are interconnected in series Excluding the cells and the electrode terminal portion, it may be configured to include a structure including a pair of high-strength cell cover coupled to surround the outer surface of the battery cells.
  • the battery cell is a plate-shaped battery cell 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 battery cell.
  • the battery cell is, as a secondary battery, a nickel hydride secondary battery, a lithium secondary battery, and the like, and the like. Among them, a lithium secondary battery having a high energy density and a high discharge voltage is particularly preferable.
  • the present invention is a battery pack having a plurality of battery modules including a battery cell or a unit module ('unit cell') that can be charged and discharged in a pack case,
  • At least one unit cell constitutes one battery module
  • Two or more of the battery modules are arranged in a length direction of the battery pack to constitute one battery module group;
  • Two battery module groups are symmetrically arranged around the refrigerant discharge part
  • a coolant inlet port is independently positioned for each battery module at a pack case portion of the battery module opposite to the coolant discharge unit;
  • the coolant flowing through the coolant inlet is dispersed to form a coolant flow section in which the coolant flows into the battery module;
  • One refrigerant outlet on the front or rear of the pack case in the longitudinal direction of the battery pack so that the refrigerant introduced by the refrigerant inlet is passed through the respective battery modules to cool the unit cell and then discharged to the outside through the refrigerant discharge unit Provides a battery pack, characterized in that is formed.
  • the battery pack having such a structure is arranged in a spaced state to form a coolant flow section in which a coolant can be dispersed between the pack case and the battery module, so that a process of sealing the coolant inlet and the battery module may be omitted.
  • the refrigerant inlets can be formed in the same size, the battery pack can be compactly constructed, and the manufacturing cost of the battery pack can be reduced.
  • the refrigerant flowing into the refrigerant inlet adjacent to the refrigerant outlet through the flow section is dispersed in the direction of the battery module spaced from the refrigerant outlet, thereby cooling the battery module spaced from the refrigerant outlet, consequently the battery module Uniform cooling is possible.
  • the refrigerant inlets are independently located for each battery module in the pack case portion of the battery module opposite to the refrigerant discharge part, the length and flow rate of the refrigerant are reduced by half to flow. The temperature difference and the differential pressure generated in the battery modules in the direction can be reduced.
  • each of the battery modules in the battery module group may have the same width, and may have a structure in which the widths of the coolant inlet adjacent to the coolant outlet and the width of the coolant inlet spaced from the coolant outlet are equally set.
  • the refrigerant inlet may be a structure formed on the pack case in the direction of the opposite side of the refrigerant outlet in each battery module, the opposite side of the refrigerant outlet on the basis of the horizontal axis of the battery module in each battery module It may be a structure formed on the pack case in the direction.
  • the refrigerant inlet is formed on the pack case corresponding to the edge of the battery module in the opposite direction of the refrigerant outlet in each battery module, it is possible to uniformly cool the battery modules as a whole.
  • the width of the refrigerant inlet may have a size of 5 to 50% based on the battery module length.
  • the width of the inlet is calculated as the sum of the width directions of these through holes or slits.
  • the width of the refrigerant flow section may preferably have a size of 1 to 20% based on the width of the battery module.
  • the refrigerant introduced from the coolant inlet adjacent to the coolant outlet is effectively separated from the coolant inlet. It is not preferable because it is not dispersed.
  • the flow rate or flow rate of the refrigerant flowing into the refrigerant inlet adjacent to the refrigerant outlet is relatively greater than the flow rate or flow rate of the refrigerant flowing into the refrigerant inlet spaced from the refrigerant outlet, but from the battery module adjacent to the refrigerant outlet and the refrigerant outlet.
  • the flow rate or flow rate passing through the spaced battery modules may be the same. Therefore, efficient cooling of the battery module is possible.
  • the coolant may be, for example, air, but is not limited thereto.
  • the battery pack may be, for example, a structure that is mounted in a rack of a power storage device in a drawer type package method.
  • the present invention also provides a device such as an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in hybrid electric vehicle, or a power storage device, which uses the battery pack as a power source.
  • a structure in which the battery pack is mounted on the trunk of the vehicle is more preferable.
  • Electric vehicles using a battery pack as a power source hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, power storage devices and the like are known in the art, detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a plan view of a battery pack according to the prior art
  • FIG. 2 is a plan view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a perspective view of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • 5 to 7 are plan views of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of FIG. 7;
  • FIG. 9 is a perspective view of a pouch-type battery cell
  • FIG. 10 is a perspective view of a cell cover in which the battery cell of FIG. 9 is mounted for the configuration of a unit module.
  • FIG. 2 is a plan view of a battery pack according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a perspective view of FIG. 2.
  • the battery pack 100a includes two battery module groups 110 and 120 in which the two battery modules are arranged in the length L direction of the battery pack 100a in the pack case 150. .
  • the two battery module groups 110 and 120 are arranged in the width (W) direction of the battery pack 100a in a state in which the refrigerant discharge unit 140 is spaced between them, and the refrigerant is discharged from the battery module.
  • Refrigerant inlet 160 is independently located for each battery module at a portion of the pack case 150 opposite to the unit 140.
  • one coolant outlet 130 is formed on the front surface of the pack case 150 in the length L direction of the battery pack 100a, so that the coolant introduced by the coolant inlets 160 passes through the respective battery modules. While cooling the unit cell is discharged to the outside together.
  • the coolant inlet 160 is formed on the pack case 150 in a plurality of through hole structures, and the width w of the coolant discharge part 140 is approximately 20 based on the width W of the battery pack 100a. Has a size of%.
  • the coolant paths 142 and 144 form a "A" shaped coolant path based on the coolant outlet 130, and the battery pack 100a has a length L of width W. 1.3 times more structure.
  • the battery pack 100a has a symmetrical structure based on the refrigerant discharge unit 140.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the pack case is the same as the structure of FIG. 3 except that the pack case includes a lower case 150 in which the battery modules are mounted, and an upper case 170 covering an upper surface of the lower case 150. Detailed description thereof will be omitted.
  • 5 and 7 are plan views of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack 100c has the same width in each of the battery module groups 110c and 120c, and has a coolant outlet port than the battery module 101c adjacent to the coolant outlet port 130c.
  • the flow rate of the refrigerant flowing into the battery module is set relatively large.
  • the flow rate of the refrigerant is set to increase linearly along the longitudinal arrangement a of the battery modules in each of the battery module groups 110c and 120c.
  • the battery pack 100d is set to have the same flow rate of the refrigerant flowing into each of the battery modules in the battery module groups 110d and 120d, and the battery modules are disposed in the refrigerant discharge port 130d.
  • the width of the battery module through which the coolant passes is set relatively small.
  • the width of the battery module is set to decrease linearly along the length direction (b) arrangement of the battery modules in each of the battery module groups (110d, 120d).
  • the battery pack 100e includes two battery module groups 110e in which two battery modules each are arranged in a length L direction of the battery pack 100e. And 120e are incorporated in the pack case 150e.
  • the battery module group 110e has a structure in which two battery modules 101e and 102e are arranged in a length L direction of the battery pack 100e, and each of the battery modules 101e and 102e) have the same width.
  • the two battery module groups 110e and 120e are arranged to be spaced apart from the pack case 150e so that the coolant flow section A is formed, and the battery module groups 110e and 120e are disposed at positions opposite to the coolant discharge unit 140e in the battery module.
  • the refrigerant inlets 160e and 162e are independently located for each battery module.
  • One coolant outlet 130e is formed on the front surface of the pack case 150e in the length L direction of the battery pack 100e, so that the coolant introduced by the coolant inlets 160e and 162e is formed in each of the battery modules. After passing through 101e and 102e, the unit cells are cooled and then discharged together.
  • the refrigerant flowing through the refrigerant inlets 160e and 162e is dispersed and the refrigerant flow section A flowing into the battery modules 101e and 102e. ) Is formed. Therefore, a portion 146e of the refrigerant 144e introduced into the refrigerant inlet 162e adjacent to the refrigerant outlet 130e is dispersed to cool the battery module 101e spaced apart from the refrigerant outlet 130e.
  • a portion of the refrigerant introduced into the refrigerant inlet 160e spaced apart from the refrigerant outlet 130e may be dispersed to cool the battery module 102e adjacent to the refrigerant outlet 130e.
  • the flow rate 144e flowing through the refrigerant inlet 162e adjacent to the refrigerant outlet 130e is relatively larger than the flow rate 142e flowing from the refrigerant inlet 160e spaced from the refrigerant discharge 130e
  • the flow rates passing through the respective battery modules 101e and 102e are almost the same.
  • the refrigerant inlets 160e and 162e are formed on the pack case 150e in a plurality of through hole structures, and are formed on the pack cases corresponding to corners of the respective battery module groups 110e and 120e, for example. have.
  • coolant inlets 160e and 162e are formed on the pack case 150e in a direction opposite to the coolant outlet 130e with respect to the horizontal axis B of the battery module 101e.
  • each of the refrigerant inlets 160e is approximately 20% of the sum of the widths of the through holes based on the module length, and the width w of the refrigerant discharge unit 140e is the width of the battery pack 100e. It has a size of about 20% based on the width (W).
  • the coolant paths 142e and 144e form a "a" shaped coolant path based on the coolant outlet 130e, and the battery pack 100b has a length L of about W than the width W. 1.3 times structure.
  • the battery module groups 110e and 120e have a symmetrical structure based on the refrigerant discharge part 140e.
  • FIG. 9 is a perspective view schematically showing a pouch-type battery cell.
  • the pouch-type battery 50 has a structure in which two electrode leads 51 and 52 protrude from upper and lower ends of the battery main body 53, respectively.
  • Exterior member 54 is composed of two upper and lower units, both sides 55 and the upper end and the lower end 56 which are mutually contacting portions with the electrode assembly (not shown) mounted on the receiving portion formed on the inner surface thereof. And 57), the battery 50 is made.
  • the exterior member 54 is made of a laminate structure of a resin layer / metal foil layer / resin layer, and is bonded to each other by applying heat and pressure to both sides 55 and upper and lower ends 56 and 57 which are in contact with each other.
  • the adhesive may be attached using an adhesive. Both side surfaces 55 can be uniformly sealed by melting because the same resin layer of the upper and lower exterior members 54 is in direct contact with each other.
  • the electrode leads 51 and 52 protrude from the upper end 56 and the lower end 57, the sealing properties are improved in consideration of the thickness of the electrode leads 51 and 52 and the heterogeneity with the material of the exterior member 54. Heat-sealed in the state which interposed the film-shaped sealing member 58 between the electrode leads 51 and 52 so that it may be made.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically illustrating a cell cover in which the battery cell of FIG. 9 is mounted for the configuration of a unit module.
  • the cell cover 500 includes two pouch-type battery cells (not shown) as shown in FIG. 5 and complements its mechanical rigidity, as well as mounting on a module case (not shown). Serves to facilitate.
  • the two battery cells are mounted inside the cell cover 500 in a structure in which one electrode terminal thereof is bent in series and then bent to be in close contact with each other.
  • the cell cover 500 is composed of a pair of members 510 and 520 of mutual coupling, and is made of a high strength metal plate. Steps 530 are formed on outer surfaces adjacent to the left and right ends of the cell cover 500 to facilitate fixing of the module, and steps 540 are formed on the top and the bottom of the cell cover 500. In addition, fixing parts 550 are formed at upper and lower ends of the cell cover 500 in the width direction to facilitate mounting of the module case (not shown).
  • the two battery module groups are arranged in the width direction of the battery pack spaced apart so that the refrigerant discharge portion is formed therebetween, the refrigerant in the upper or lower portion of the pack case Since it is not necessary to form a discharge part, it can be comprised compactly in the up-down direction.
  • the refrigerant inlet is independently located for each battery module in the pack case portion of the battery module opposite to the refrigerant discharge portion, the length and the flow rate of the refrigerant are reduced by half to flow direction. The temperature difference and the differential pressure generated in the battery modules of the can be reduced.
  • the coolant flow sections are formed to form a coolant flow section in which the coolant may be dispersed between the pack case and the battery module, the process of sealing the coolant inlet and the battery module may be omitted, as well as the coolant. Since the inlets can be formed in the same size, the battery pack can be made compact, and the manufacturing cost of the battery pack can be reduced.

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Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지모듈 다수 개를 팩 케이스에 내장하고 있는 전지팩으로서, 상기 단위셀 둘 이상이 하나의 전지모듈을 구성하고; 상기 전지모듈 둘 이상이 전지팩의 길이 방향으로 배열되어 하나의 전지모듈 군을 구성하며; 2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열되어 있고; 전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하며; 상기 냉매 유입구 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각시킨 후 함께 배출될 수 있도록, 전지팩의 길이 방향에서 팩 케이스의 전면 또는 후면에 하나의 냉매 배출구가 형성되어 있는 전지팩을 제공한다.

Description

신규한 공냉식 구조의 전지팩
본 발명은, 신규한 공냉식 구조의 전지팩으로서, 구체적으로는, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지모듈 다수 개를 팩 케이스에 내장하고 있는 전지팩으로서, 상기 단위셀 둘 이상이 하나의 전지모듈을 구성하고; 상기 전지모듈 둘 이상이 전지팩의 길이 방향으로 배열되어 하나의 전지모듈 군을 구성하며; 2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열되어 있고; 전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하며; 상기 냉매 유입구 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각시킨 후 함께 배출될 수 있도록, 전지팩의 길이 방향에서 팩 케이스의 전면 또는 후면에 하나의 냉매 배출구가 형성되어 있는 구조의 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) 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 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 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.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 또는 직렬 및 병렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 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, 전력저장 장치는 다수의 전지팩들을 랙에 서랍형으로 패키징하는 방식이 주로 사용되고 있다. 서랍형 패키징은 일련의 전지팩들을 수직으로 적층하여 1개의 랙에 삽입하는 방식을 의미한다. 이러한 전력저장 장치에 포함된 전지팩의 냉각 시스템을 구성하는 경우, 전지셀 또는 단위모듈의 냉각을 위해 전지모듈 내 유로를 수직 방향으로 형성한 상태로 전지모듈들을 배열하면 냉각을 위한 유로 형성이 어려운 문제점이 있다.
즉, 전지팩들이 상하로 적층되어야 하기 때문에 전지팩의 상부와 하부에 유로를 위한 공간을 별도로 만들 수 없으므로, 서랍형 패키징을 위해서는 전지모듈들을 눕힌 상태로 배치해야 냉각 뿐 아니라 공간적으로 효율적인 설계를 할 수 있다.
또한, 일반적으로 전력저장 장치에서는 높은 에너지 밀도와 전지의 균일한 수명 및 성능이 요구되므로, 전지팩의 구성 뿐만 아니라 랙의 구성시에도 콤팩트한 설계가 필요하다.
공간활용을 위해, 예를 들어, 도 1과 같이 전지팩(100) 내부의 전지모듈 배치 및 냉매의 유로 형상이 가능하다. 그러나, 유로 방향으로 전지모듈들이 배열되면 1열의 전지모듈에는 외부의 공기가 바로 유입되고 2열의 전지모듈에는 1열의 전지들로부터 열을 흡수하여 데워진 공기가 유입되므로 1열과 2열에 위치한 전지모듈들의 냉각정도가 달라 전지셀의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열함으로써, 열별로 발생하는 전지모듈 또는 단위셀 간의 온도 편차 및 차압을 최소화하여 전지모듈 또는 단위셀의 성능 저하를 억제하고 냉각 효율성이 향상된 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지모듈 다수 개를 팩 케이스에 내장하고 있는 전지팩으로서,
상기 단위셀 둘 이상이 하나의 전지모듈을 구성하고;
상기 전지모듈 둘 이상이 전지팩의 길이 방향으로 배열되어 하나의 전지모듈 군을 구성하며;
2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열되어 있고;
전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하며;
상기 냉매 유입구 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각시킨 후 함께 배출될 수 있도록, 전지팩의 길이 방향에서 팩 케이스의 전면 또는 후면에 하나의 냉매 배출구가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열되어 있어서, 팩 케이스의 상부 또는 하부에 냉매 배출부를 형성하지 않아도 되므로 상하 방향으로 콤팩트하게 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하므로, 냉매가 통과하는 길이와 유속이 절반으로 감소하여 유동 방향의 전지모듈들에서 생기는 온도 편차와 차압을 감소시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉매 유입구는 다수의 관통구 또는 슬릿 구조로 팩 케이스 상에 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 이 경우, 별도의 냉매 유입을 위한 공간을 필요로 하지 않는 장점이 있다. 또한, 상기 구조의 냉매 유입구는 한 번에 많은 양의 냉매를 외부로부터 유입할 수 있다.
상기 팩 케이스는 전지모듈들을 용이하게 내장할 수 있는 구조이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어 전지모듈들을 탑재하고 있는 하부 케이스, 및 하부 케이스의 상면을 덮고 있는 상부 케이스로 이루어질 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 냉매 유입구가 형성되어 있는 팩 케이스와 전지모듈 사이는, 냉매 유입구를 통해 유입된 냉매가 분산되어 전지모듈로 유입되는 냉매 유동 구간의 형성을 위해, 상호 이격될 수 있다. 따라서, 상기 냉매는 냉매 유동 공간에 의해 분산되면서 전지모듈들의 냉각을 수행하도록 유동하므로, 균일한 냉각을 달성할 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.
한편, 각각의 전지모듈들을 균일하게 냉각할 수 있도록 다양한 구조가 고려될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전지모듈 군에서 각각의 전지모듈들은 동일한 폭을 가지고 있고, 냉매 배출구에 인접한 전지모듈로보다 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈에서, 전지모듈에 유입되는 냉매의 유속 또는 유량이 상대적으로 크게 설정되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로는, 상기 냉매의 유속 또는 유량은 전지모듈 군에서 전지모듈들의 길이 방향 배열을 따라 선형적으로 증가하도록 설정되어 있어서, 전지모듈들의 냉각을 전체적으로 균일하게 할 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 전지모듈 군에서 각각의 전지모듈들에 유입되는 냉매의 유속 또는 유량이 동일하도록 설정되어 있고, 상기 전지모듈들은 냉매 배출구에 인접한 전지모듈로보다 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈에서, 냉매가 통과하는 전지모듈의 폭이 상대적으로 작게 설정되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로는, 상기 전지모듈의 폭은 전지모듈 군에서 전지모듈들의 길이 방향 배열을 따라 선형적으로 감소하도록 설정되어 있어서, 전지모듈들의 냉각을 전체적으로 균일하게 할 수 있다.
상기 냉매 배출부의 폭은 상기 전지팩의 폭을 기준으로 5 내지 50%의 크기를 가지고 있을 수 있다.
구체적으로, 냉매 배출부의 폭이 전지팩의 폭을 기준으로 5%의 크기보다 작은 경우 소망하는 냉매의 균일성을 달성할 수 없고, 냉매 배출부의 폭이 전지팩의 폭을 기준으로 50%의 크기보다 큰 경우 전체적인 전지팩의 크기가 증가하므로 바람직하지 않다.
한편, 각각의 전지모듈에서 냉매 유로들은 냉매 배출구를 기준으로 "ㄱ" 자형 냉매 유로를 형성하는 구조일 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 냉매 유입구 및/또는 냉매 배출구에는 냉매 유입구로부터 유입된 냉매가 전지모듈을 관통한 후 신속하고 원활하게 냉매 배출구로 이동하여 전지팩 외부로 배출될 수 있도록, 바람직하게는, 냉매의 유동 구동력을 제공할 수 있는 구동 팬이 추가로 장착될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 냉매 유입구 및/또는 냉매 배출구는 공조 시스템과 연결되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 냉매 유입구는 냉각된 저온의 공기가 유입될 수 있도록 차량의 에어컨 시스템과 같은 공조 시스템과 연결되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 상기 공조 시스템으로부터 유입된 저온의 공기를 사용하여 더욱 효과적으로 단위 셀들을 냉각시킬 수 있다.
또한, 냉매 배출구의 크기가 종래의 전지팩 구조와 비교하여 작으므로 공조시스템과 연결시 공조 시스템 구성 측면에서 재료 절감효과가 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩은 냉각 효율성이 특히 문제가 되는 구조, 즉, 전지팩의 길이가 폭보다 1.1배 이상인 구조에서 바람직하며, 1.2배 내지 6배의 크기인 경우 더욱 바람직하다.
상기 전지팩은 냉매의 균일한 유동을 위하여, 바람직하게는 냉매 배출부를 기준으로 좌우 대칭 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 종래의 냉매 유로와 비교하여 유로의 길이를 크게 줄일 수 있으므로 매우 바람직하다.
상기 전지모듈은, 예를 들어, 8 내지 24개의 단위 셀들로 이루어질 수 있다.
참고로, 본 명세서에서 사용된 용어 "전지모듈"은 둘 또는 그 이상의 충방전 전지셀들 또는 단위모듈들을 기계적으로 체결하고 동시에 전기적으로 연결하여 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 전지 시스템의 구조를 포괄적으로 의미하므로, 그 자체로서 하나의 장치를 구성하거나, 또는 대형 장치의 일부를 구성하는 경우를 모두 포함한다. 예를 들어, 소형 전지모듈을 다수 개 연결한 대형 전지모듈의 구성도 가능하고, 전지셀들을 소수 연결한 단위모듈을 다수 개 연결한 구성도 가능하다.
상기 단위 셀들은 냉매가 단위 셀들 사이로 통과하며 단위 셀들을 효과적으로 냉각할 수 있도록 단위 셀의 두께를 기준으로 5 내지 50%의 크기로 상호 이격되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 단위 셀들 사이의 이격 공간이 단위 셀의 두께를 기준으로 5% 크기 미만인 경우 소망하는 냉매의 냉각 효과를 얻기 어렵고, 50% 크기를 초과하는 경우 다수 개의 단위 셀들로 구성된 전지모듈의 크기가 전체적으로 커지므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 단위모듈은, 예를 들어, 전극단자들이 상단 및 하단에 각각 형성되어 있는 판상형 전지셀들이 직렬로 상호 연결되어 있는 구조로서, 상기 전극단자들이 직렬로 상호 연결되어 있는 둘 또는 그 이상의 전지셀들, 및 상기 전극단자 부위를 제외하고 상기 전지셀들의 외면을 감싸도록 상호 결합되는 한 쌍의 고강도 셀 커버를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
상기 전지셀은 전지모듈의 구성을 위해 충적되었을 때 전체 크기를 최소화할 수 있도록 얇은 두께와 상대적으로 넓은 폭 및 길이를 가진 판상형 전지셀이다. 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 전지셀'로 칭하기도 한다.
상기 전지셀은 이차전지로서, 대표적으로 니켈 수소 이차전지, 리튬 이차전지 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도가 높고 방전 전압이 큰 리튬 이차전지가 특히 바람직하다.
또한, 본 발명은 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지모듈 다수 개를 팩 케이스에 내장하고 있는 전지팩으로서,
상기 단위셀 하나 이상이 하나의 전지모듈을 구성하고;
상기 전지모듈 둘 이상이 전지팩의 길이 방향으로 배열되어 하나의 전지모듈 군을 구성하며;
2개의 전지모듈 군들이 냉매 배출부를 중심으로 대칭적으로 배열되어 있고,
전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하며;
상기 냉매 유입구가 형성되어 있는 팩 케이스와 전지모듈 사이는, 냉매 유입구를 통해 유입된 냉매가 분산되어 전지모듈로 유입되는 냉매 유동 구간의 형성을 위해, 상호 이격되어 있고;
상기 냉매 유입구 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각한 후 냉매 배출부를 경유하여 외부로 배출될 수 있도록, 전지팩의 길이 방향에서 팩 케이스의 전면 또는 후면에 하나의 냉매 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.
이러한 구조의 전지팩은, 팩 케이스와 전지모듈 사이에 냉매가 분산될 수 있는 냉매 유동구간이 형성되도록 이격된 상태로 배열되어 있어서, 냉매 유입구와 전지모듈 사이를 밀폐시키는 공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 냉매 유입구를 동일한 크기로 형성할 수 있으므로, 전지팩을 콤팩트하게 구성하고, 전지팩의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 유동구간을 통해 냉매 배출구에 인접한 냉매 유입구로 유입된 냉매가 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈 방향으로 분산되어, 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈을 냉각시키는 효과를 발휘하여, 결과적으로 전지모듈의 균일한 냉각이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하므로, 냉매가 통과하는 길이와 유속이 절반으로 감소하여 유동 방향의 전지모듈들에서 생기는 온도 편차와 차압을 감소시킬 수 있다.
한편, 각각의 전지모듈들을 균일하게 냉각할 수 있도록 다양한 구조가 고려될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전지모듈 군에서 각각의 전지모듈들은 동일한 폭을 가지고 있고, 냉매 배출구에 인접한 냉매 유입구와 냉매 배출구로부터 이격된 냉매 유입구의 폭이 동일하게 설정되어 있는 구조일 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 냉매 유입구는 각각의 전지모듈에서 냉매 배출구의 대향측 방향에서 팩 케이스 상에 형성되어 있는 구조일 수 있으며, 각각의 전지모듈에서 전지모듈의 수평축을 기준으로 냉매 배출구의 대향측 방향에서 팩 케이스 상에 형성되어 있는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉매 유입구는 각각의 전지모듈에서 냉매 배출구의 대향측 방향으로 전지모듈의 모서리에 대응하는 팩 케이스 상에 형성되어 있어서, 전지모듈들의 냉각을 전체적으로 균일하게 할 수 있다.
하나의 구체적인 예로서, 상기 냉매 유입구의 폭은 전지모듈 길이를 기준으로 5 내지 50% 크기를 가지고 있을 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 냉매 유입구가 다수의 관통구 또는 다수의 슬릿 구조인 경우, 상기 유입구의 폭은 이들 관통구 또는 슬릿의 폭 방향의 합으로 산정한다. 이러한 냉매 유입구가 전지모듈의 길이를 기준으로 5%의 크기보다 작은 경우, 전지모듈을 냉각시키기에 충분한 냉매가 흐를 수 없고, 50% 크기보다 큰 경우, 전지팩의 균일한 냉각이 이루어 지지 않으므로 바람직하지 않다.
상기 냉매 유동 구간의 폭은 전지모듈의 폭을 기준으로 바람직하게는 1 내지 20% 크기를 가지고 있을 수 있다.
구체적으로, 냉매 유동구간이 전지모듈의 폭을 기준으로 1%의 크기보다 작거나, 20%의 크기보다 큰 경우, 냉매 배출구에 인접한 냉매 유입구에서 유입된 냉매가 냉매 유입구로부터 이격된 전지모듈로 효과적으로 분산되지 않으므로 바람직하지 않다.
상기 냉매 배출구에 인접한 냉매 유입구로 유입되는 냉매의 유속 또는 유량이 상기 냉매 배출구로부터 이격된 냉매 유입구로 유입되는 냉매의 유속 또는 유량보다 상대적으로 크지만, 상기 냉매 배출구에 인접한 전지모듈과 상기 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈을 통과하여 나오는 유속 또는 유량이 동일할 수 있다. 따라서 전지모듈의 효율적인 냉각이 가능하다.
한편, 상기 냉매는 예를 들어 공기일 수 있지만, 그것만으로 한정되지 않음은 물론이다.
상기 전지팩은 예를 들어 전력저장 장치의 랙(rack)에 서랍형 패키지 방식으로 장착되는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치 등의 디바이스를 제공한다.
특히, 상기 전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 경우, 상기 전지팩이 차량의 트렁크에 장착되는 구조가 더욱 바람직하다.
전지팩을 전원으로 사용하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 전력저장 장치 등은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래기술에 따른 전지팩의 평면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 평면도이다;
도 3은 도 2의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 5 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 평면도들이다;
도 8은 도 7의 사시도이다;
도 9는 파우치형 전지셀의 사시도이다;
도 10은 단위모듈의 구성을 위해 도 9의 전지셀이 장착될 셀 커버의 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 평면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(100a)은 전지모듈 2개가 전지팩(100a)의 길이(L) 방향으로 배열된 2개의 전지모듈 군들(110, 120)을 팩 케이스(150)에 내장하고 있다.
또한, 2개의 전지모듈 군들(110, 120)은 이들 사이에 냉매 배출부(140)가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩(100a)의 폭(W) 방향으로 배열되어 있고, 전지모듈에서 냉매 배출부(140)에 대향하는 위치의 팩 케이스(150) 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구(160)가 독립적으로 위치하고 있다.
더욱이, 전지팩(100a)의 길이(L) 방향에서 팩 케이스(150)의 전면에 하나의 냉매 배출구(130)가 형성되어 있어서, 냉매 유입구(160) 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각시킨 후 함께 외부로 배출된다.
냉매 유입구(160)는 다수의 관통구 구조로 팩 케이스(150) 상에 형성되어 있고, 냉매 배출부(140)의 폭(w)은 전지팩(100a)의 폭(W)을 기준으로 대략 20%의 크기를 가지고 있다.
또한, 각각의 전지모듈에서 냉매 유로들(142, 144)은 냉매 배출구(130)를 기준으로 "ㄱ" 자형 냉매 유로를 형성하고 있고, 전지팩(100a)은 길이(L)가 폭(W)보다 1.3배 구조로 이루어져 있다.
한편, 전지팩(100a)은 냉매 배출부(140)를 기준으로 좌우 대칭 구조로 이루어져 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 팩 케이스는 전지모듈들을 탑재하고 있는 하부 케이스(150), 및 하부 케이스(150)의 상면을 덮고 있는 상부 케이스(170)로 이루어진 점을 제외하고는 도 3의 구조와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5 및 도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지팩의 평면도들이 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 5를 참조하면, 전지팩(100c)은 전지모듈 군들(110c. 120c)에서 각각의 전지모듈들은 동일한 폭을 가지고 있고, 냉매 배출구(130c)에 인접한 전지모듈(101c)로보다 냉매 배출구(130c)로부터 이격된 전지모듈(102c)에서, 전지모듈에 유입되는 냉매의 유속이 상대적으로 크게 설정되어 있다.
구체적으로, 냉매의 유속은 각각의 전지모듈 군들(110c, 120c)에서 전지모듈들의 길이 방향 배열(a)을 따라 선형적으로 증가하도록 설정되어 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 전지팩(100d)은 전지모듈 군들(110d, 120d)에서 각각의 전지모듈들에 유입되는 냉매의 유속이 동일하도록 설정되어 있고, 전지모듈들은 냉매 배출구(130d)에 인접한 전지모듈(101d)로보다 냉매 배출구(130d)로부터 이격된 전지모듈(102d)에서, 냉매가 통과하는 전지모듈의 폭이 상대적으로 작게 설정되어 있다.
구체적으로, 전지모듈의 폭은 각각의 전지모듈 군들(110d, 120d)에서 전지모듈들의 길이 방향(b) 배열을 따라 선형적으로 감소하도록 설정되어 있다.
도 7을, 도 7의 사시도인 도 8과 함께 참조하면, 전지팩(100e)은 각각 2개씩의 전지모듈들이 전지팩(100e)의 길이(L) 방향으로 배열된 2개의 전지모듈 군들(110e, 120e)을 팩 케이스(150e)에 내장하고 있다. 예를 들어, 전지모듈 군(110e)은 2개의 전지모듈들(101e, 102e)이 전지팩(100e)의 길이(L) 방향으로 배열되어 있는 구조로 이루어져 있고, 각각의 전지모듈들(101e, 102e)은 동일한 폭을 가지고 있다.
또한, 냉매 유동 구간(A)이 형성되도록 2개의 전지모듈 군들(110e, 120e)은 팩 케이스(150e)와 이격된 상태로 배열되어 있고, 전지모듈에서 냉매 배출부(140e)에 대향하는 위치의 팩 케이스(150e) 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구(160e, 162e)가 독립적으로 위치하고 있다.
전지팩(100e)의 길이(L) 방향에서 팩 케이스(150e)의 전면에 하나의 냉매 배출구(130e)가 형성되어 있어서, 냉매 유입구(160e, 162e) 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들(101e, 102e)을 통과하면서 단위셀을 냉각시킨 후 함께 외부로 배출된다.
특히, 팩 케이스(150e)와 전지모듈들(101e, 102e) 사이에는, 냉매 유입구(160e, 162e)를 통해 유입된 냉매가 분산되어 전지모듈들(101e, 102e)로 유입되는 냉매 유동 구간(A)이 형성되어 있다. 따라서, 냉매 배출구(130e)에 인접한 냉매 유입구(162e)로 유입된 냉매(144e)의 일부(146e)가 분산되면서 냉매 배출구(130e)로부터 이격된 전지모듈(101e)을 냉각시킨다. 이와 반대로, 냉매 배출구(130e)로 이격된 냉매 유입구(160e)로 유입된 냉매의 일부가 분산되면서 냉매 배출구(130e)에 인접한 전지모듈(102e)을 냉각시키기도 한다. 결과적으로, 냉매 배출구(130e)에 인접한 냉매 유입구(162e)를 통해 유입되는 유량(144e)이 냉매 배출(130e)로부터 이격된 냉매 유입구(160e)로부터 유입되는 유량(142e)보다 상대적으로 많음에도 불구하고, 각각의 전지모듈들(101e, 102e)를 통과하여 나오는 유량은 거의 동일하다.
냉매 유입구(160e, 162e)는 다수의 관통구 구조로 팩 케이스(150e) 상에 형성되어 있고, 예를 들어, 각각의 전지모듈 군들(110e, 120e)의 모서리에 대응하는 팩 케이스 상에 형성되어 있다.
또한, 상기 냉매 유입구(160e, 162e)는 전지모듈(101e)의 수평축(B)을 기준으로 냉매 배출구(130e)의 대향측 방향에서 팩 케이스(150e) 상에 형성되어 있다.
각각의 냉매 유입구(160e)의 폭은 관통구들의 폭 방향의 합이 모듈 길이를 기준으로 대략 20%의 크기를 가지고 있으며, 냉매 배출부(140e)의 폭(w)은 전지팩(100e)의 폭(W)을 기준으로 대략 20%의 크기를 가지고 있다.
각각의 전지모듈에서 냉매 유로들(142e, 144e)은 냉매 배출구(130e)를 기준으로 "ㄱ" 자형 냉매 유로를 형성하고 있고, 전지팩(100b)은 길이(L)가 폭(W)보다 약 1.3배 구조로 이루어져 있다.
한편, 전지모듈 군들(110e, 120e)은 냉매 배출부(140e)를 기준으로 좌우 대칭 구조로 이루어져 있다.
도 9에는 파우치형 전지셀의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 파우치형 전지(50)는 두 개의 전극리드(51, 52)가 서로 대향하여 전지 본체(53)의 상단부와 하단부에 각각 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 외장부재(54)는 상하 2 단위로 이루어져 있고, 그것의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(도시하지 않음)를 장착한 상태로 상호 접촉 부위인 양 측면(55)과 상단부 및 하단부(56, 57)를 부착시킴으로써 전지(50)가 만들어진다.
외장부재(54)는 수지층/금속박층/수지층의 라미네이트 구조로 이루어져 있어서, 서로 접하는 양 측면(55)과 상단부 및 하단부(56, 57)에 열과 압력을 가하여 수지층을 상호 융착시킴으로써 부착시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 접착제를 사용하여 부착할 수도 있다. 양 측면(55)은 상하 외장부재(54)의 동일한 수지층이 직접 접하므로 용융에 의해 균일한 밀봉이 가능하다. 반면에, 상단부(56)와 하단부(57)에는 전극리드(51, 52)가 돌출되어 있으므로 전극리드(51, 52)의 두께 및 외장부재(54) 소재와의 이질성을 고려하여 밀봉성을 높일 수 있도록 전극리드(51, 52)와의 사이에 필름상의 실링부재(58)를 개재한 상태에서 열융착시킨다.
도 10에는 단위모듈의 구성을 위해 도 9의 전지셀이 장착될 셀 커버의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 셀 커버(500)는 도 5에서와 같은 파우치형 전지셀(도시하지 않음) 2 개를 내장하며 그것의 기계적 강성을 보완할 뿐만 아니라 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 2 개의 전지셀들은 그것의 일측 전극단자들이 직렬로 연결된 후 절곡되어 상호 밀착된 구조로 셀 커버(500) 내부에 장착된다.
셀 커버(500)는 상호 결합 방식의 한 쌍의 부재들(510, 520)로 구성되어 있으며, 고강도 금속 판재로 이루어져 있다. 셀 커버(500)의 좌우 양단에 인접한 외면에는 모듈의 고정을 용이하게 하기 위한 단차(530)가 형성되어 있으며, 상단과 하단에도 역시 동일한 역할을 하는 단차(540)가 형성되어 있다. 또한, 셀 커버(500)의 상단과 하단에는 폭방향으로 고정부(550)가 형성되어 있어서, 모듈 케이스(도시하지 않음)에 대한 장착을 용이하게 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 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, 2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열되어 있어서, 팩 케이스의 상부 또는 하부에 냉매 배출부를 형성하지 않아도 되므로 상하 방향으로 콤팩트하게 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈에서 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하므로, 냉매가 통과하는 길이와 유속이 절반으로 감소하여 유동 방향의 전지모듈들에서 생기는 온도 편차와 차압을 감소시킬 수 있다.
더 나아가, 팩 케이스와 전지모듈 사이에 냉매가 분산될 수 있는 냉매 유동구간이 형성되도록 이격된 상태로 배열되어 있는 경우, 냉매 유입구와 전지모듈 사이를 밀폐시키는 공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 냉매 유입구를 동일한 크기로 형성할 수 있으므로, 전지팩을 콤팩트하게 구성하고, 전지팩의 제조 비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (22)

  1. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지모듈 다수 개를 팩 케이스에 내장하고 있는 전지팩으로서,
    상기 단위셀 둘 이상이 하나의 전지모듈을 구성하고;
    상기 전지모듈 둘 이상이 전지팩의 길이 방향으로 배열되어 하나의 전지모듈 군을 구성하며;
    2개의 전지모듈 군들이 이들 사이에 냉매 배출부가 형성되도록 이격된 상태로 전지팩의 폭 방향으로 배열되어 있고;
    전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하며;
    상기 냉매 유입구 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각시킨 후 함께 배출될 수 있도록, 전지팩의 길이 방향에서 팩 케이스의 전면 또는 후면에 하나의 냉매 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 다수의 관통구 또는 슬릿 구조로 팩 케이스 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 전지모듈들을 탑재하고 있는 하부 케이스, 및 하부 케이스의 상면을 덮고 있는 상부 케이스로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구가 형성되어 있는 팩 케이스와 전지모듈 사이는, 냉매 유입구를 통해 유입된 냉매가 분산되어 전지모듈로 유입되는 냉매 유동 구간의 형성을 위해, 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 군에서 각각의 전지모듈들은 동일한 폭을 가지고 있고, 냉매 배출구에 인접한 전지모듈로보다 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈에서, 전지모듈에 유입되는 냉매의 유속 또는 유량이 상대적으로 크게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매의 유속 또는 유량은 전지모듈 군에서 전지모듈들의 길이 방향 배열을 따라 선형적으로 증가하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 군에서 각각의 전지모듈들에 유입되는 냉매의 유속 또는 유량이 동일하도록 설정되어 있고, 상기 전지모듈들은 냉매 배출구에 인접한 전지모듈로보다 냉매 배출구로부터 이격된 전지모듈에서, 냉매가 통과하는 전지모듈의 폭이 상대적으로 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전지모듈의 폭은 전지모듈 군에서 전지모듈들의 길이 방향 배열을 따라 선형적으로 감소하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 배출부의 폭은 상기 전지팩의 폭을 기준으로 5 내지 50%의 크기를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 각각의 전지모듈에서 냉매 유로들은 냉매 배출구를 기준으로 "ㄱ" 자형 냉매 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구 및/또는 냉매 배출구에는 냉매의 유동 구동력을 제공할 수 있도록 구동 팬이 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구 및/또는 냉매 배출구는 공조 시스템과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 냉매 배출부를 기준으로 좌우 대칭 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 단위셀의 두께를 기준으로 5 내지 50%의 크기로 상호 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 군에서 각각의 전지모듈들은 동일한 폭을 가지고 있고, 냉매 배출구에 인접한 냉매 유입구와 냉매 배출구로부터 이격된 냉매 유입구의 폭이 동일하게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 각각의 전지모듈에서 냉매 배출구의 대향측 방향에서 팩 케이스 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 각각의 전지모듈에서 전지모듈의 수평축을 기준으로 냉매 배출구의 대향측 방향에서 팩 케이스 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 각각의 전지모듈에서 냉매 배출구의 대향측 방향으로 전지모듈의 모서리에 대응하는 팩 케이스 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 충방전이 가능한 전지셀 또는 단위모듈('단위셀')들을 포함하는 전지모듈 다수 개를 팩 케이스에 내장하고 있는 전지팩으로서,
    상기 단위셀 하나 이상이 하나의 전지모듈을 구성하고;
    상기 전지모듈 둘 이상이 전지팩의 길이 방향으로 배열되어 하나의 전지모듈 군을 구성하며;
    2개의 전지모듈 군들이 냉매 배출부를 중심으로 대칭적으로 배열되어 있고,
    전지모듈에서 상기 냉매 배출부에 대향하는 위치의 팩 케이스 부위에는 전지모듈 별로 냉매 유입구가 독립적으로 위치하며;
    상기 냉매 유입구가 형성되어 있는 팩 케이스와 전지모듈 사이는, 냉매 유입구를 통해 유입된 냉매가 분산되어 전지모듈로 유입되는 냉매 유동 구간의 형성을 위해, 상호 이격되어 있고;
    상기 냉매 유입구 별로 유입된 냉매가 각각의 전지모듈들을 통과하면서 단위셀을 냉각한 후 냉매 배출부를 경유하여 외부로 배출될 수 있도록, 전지팩의 길이 방향에서 팩 케이스의 전면 또는 후면에 하나의 냉매 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 1 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 냉매는 공기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 1 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 전지팩은 전력저장 장치의 랙(rack)에 서랍형 패키지 방식으로 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  22. 제 1 항 또는 제 19 항에 따른 전지팩을 전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장 장치로부터 선택되는 디바이스.
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