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WO2019221376A1 - 일체형 냉매 회로 부재를 갖는 프레임 프로파일을 포함한 전지 팩 - Google Patents

일체형 냉매 회로 부재를 갖는 프레임 프로파일을 포함한 전지 팩 Download PDF

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WO2019221376A1
WO2019221376A1 PCT/KR2019/002726 KR2019002726W WO2019221376A1 WO 2019221376 A1 WO2019221376 A1 WO 2019221376A1 KR 2019002726 W KR2019002726 W KR 2019002726W WO 2019221376 A1 WO2019221376 A1 WO 2019221376A1
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WO
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channel
frame profile
frame
refrigerant
battery
Prior art date
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PCT/KR2019/002726
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English (en)
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뷰세랄프
레타라이너
코즈크미란
회르만토마스
퓨셔마티아스
마르코빅마리오
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
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Priority to US17/050,339 priority patent/US11949084B2/en
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack for automobiles, and more particularly to a battery pack including a frame profile having an integrated refrigerant circuit member. Moreover, this invention relates to the motor vehicle containing this battery pack.
  • Electric vehicles are vehicles driven by electric motors using energy stored in rechargeable batteries.
  • the electric vehicle may be in the form of a hybrid vehicle driven entirely by a battery or driven, for example, by a gasoline generator.
  • the vehicle may also include a combination of an electric motor and a conventional combustion engine.
  • an electric vehicle battery (EVB) or a traction battery (EVB) is a battery used for propulsion of battery electric vehicles (BEV).
  • Electric vehicle batteries are different from start-up, lighting and ignition batteries because they are designed to last for a long time.
  • Rechargeable or secondary cells differ from primary cells in that charging and discharging can be repeated, the latter only providing irreversible conversion of chemicals into electrical energy.
  • Low capacity rechargeable batteries are used as power sources for small electronic devices such as cellular phones, notebook computers and camcorders, while high capacity rechargeable batteries are used as power sources for hybrid cars and the like.
  • the secondary battery includes an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a case accommodating the electrode assembly, and an electrode terminal electrically connected to the electrode assembly.
  • the electrolyte solution is injected into the case to enable charge and discharge of the battery through the electrochemical reaction of the positive electrode, the negative electrode and the electrolyte solution.
  • the shape of a cylindrical or rectangular case depends on the use of the battery. Lithium ion (and similar lithium polymer) batteries, widely known for use in laptops and consumer electronics, are most prominent in the latest group of electric vehicles under development.
  • the secondary battery may be used as a battery module formed of a plurality of unit battery cells connected in series and / or in parallel to provide a high energy density, in particular for driving a motor of a hybrid vehicle. That is, the battery module is formed by connecting the electrode terminals of the plurality of unit battery cells in order to implement a high output secondary battery according to the amount of power required.
  • a battery pack is a set of several (preferably the same) battery modules. They can be configured in series, in parallel, or a mixture of both to provide the desired voltage, capacity or power density. Components of a battery pack include individual battery modules and interconnects that provide electrical conductivity therebetween. Manage battery packs by protecting the battery from operating outside the safe operating area, monitoring its status, calculating auxiliary data, reporting the data, controlling its environment, authenticating, or balancing A battery management system (BMS) is provided.
  • BMS battery management system
  • Mechanical integration of the battery module may be accomplished by providing a carrier framewark and placing the battery module over the carrier framework. Fastening of the battery cell or battery module can be accomplished by depressions provided in the framework or by mechanical interconnects such as bolts or screws. Alternatively, the battery module is constrained by securing the side plates on the sides of the carrier framework. In addition, the cover plate may be fixed to the top and bottom of the battery module.
  • the carrier framework of the battery pack is mounted to the vehicle's transport structure. If the battery pack is to be secured to the floor of the vehicle, a mechanical connection can be established at the floor by a bolt, for example, penetrating through the carrier framework of the battery pack.
  • Frameworks are generally made of aluminum or aluminum alloy to lower the total weight of the structure.
  • Battery systems according to the prior art despite any modular construction, generally provide a battery housing to act as an enclosure for sealing the battery system to the surrounding environment and to provide structural protection of the components of the battery system. Include. Housing-type cell systems are typically fully integrated into application environments (eg electric vehicles).
  • a thermal management system is needed to safely use at least one battery module by efficiently generating, dissipating and / or dissipating heat generated from a secondary battery.
  • Thermal heat dissipation / dissipation / dissipation is not performed sufficiently, and a temperature deviation occurs between each battery cell so that at least one battery module cannot generate a desired amount of power.
  • an increase in the internal temperature may cause an internal abnormal reaction, thereby deteriorating the charging and discharging functions of the secondary battery and shortening the lifespan. Therefore, cell cooling is required to efficiently generate, release and dissipate heat generated in a cell.
  • the thermal management system may thus comprise a liquid cooling circuit.
  • Liquid cooling circuits typically include several components, such as a cold plate in thermal contact with a battery module, each being a vehicle cooling circuit, a pipe or hose for conveying liquid refrigerant, and a connection member for connecting the pipe or hose to the cold plate. can do. Accordingly, previous cell system cooling circuits include a large number of single components that can be costly and reliable. In particular, the automation of the manufacturing process may be delayed and defective system components, such as defective battery modules, may require the separation of various parts of the battery system cooling circuit. Therefore, this replacement procedure is burdensome.
  • a vehicle battery pack according to the present invention includes at least one battery module each including a plurality of secondary battery cells, a framework including a first frame profile and a second frame profile disposed opposite to each other, and in thermal contact with the battery module.
  • a liquid cooling circuit comprising one or more cooling plates.
  • Each of the first frame profile and the second frame profile includes an integrated refrigerant structure that is part of the liquid cooling circuit.
  • the battery module includes a pair of module side plates and a pair of front plates constituting a module frame for assembly of the plurality of battery cells, wherein at least one of the The module side plate includes an integral refrigerant structure that is part of the liquid cooling circuit. That is, the cooling medium can be distributed through the cooling plate and / or the module side plate.
  • the battery pack of the present invention includes a metal framework for supporting a battery module.
  • the metal framework consists of a rectangular shape with two opposite sides facing each other, constituting a module frame to provide mechanical integrity of the battery pack.
  • the battery pack further includes a liquid cooling circuit that can be coupled to the vehicle cooling circuit.
  • the liquid cooling circuit of the battery pack includes one or more cooling plates, each module side plate, which is in thermal contact with each of the battery modules, that is, capable of cooling or heating the battery module if necessary.
  • the cooling plate may form one layer (in whole or in part) of the battery pack, and the battery module may be mounted thereon.
  • each frame profile comprises an integrated refrigerant (distribution / collection) structure.
  • the rigid frame profile is used as a refrigerant channel and comprises an integral hollow designed to distribute liquid refrigerant to the cooling plate or to collect liquid refrigerant in the cooling plate. That is, part of the cooling circuit and part of the framework are integrated into common components.
  • the common component is two frame profiles comprising an integral refrigerant structure.
  • the integration consists of one piece or is integrated directly into the frame profile instead of being mounted or attached to the frame profile.
  • the other parts of the unitary cooling structure and the frame profile for example, cannot be separated from each other.
  • Advanced parts of the integrated cooling circuit provide excellent robustness without increasing the overall weight of the battery pack.
  • its manufacturing process is greatly simplified since the number of component parts is significantly reduced.
  • the unitary refrigerant structure includes a first channel for the refrigerant passage extending in the longitudinal direction of the first frame profile and one or more connection points in fluid communication with each connection point of the cooling plate and / or the module side plate.
  • the refrigerant structure can be simply set in the frame profile by configuring a refrigerant channel extending in the longitudinal direction of the frame profile, for example lying parallel to the bottom surface of the frame profile. In a predetermined position outside the frame profile, a connection point is provided which engages the connection point of each of the cooling plate and / or the module side plate.
  • the refrigerant distribution / collection structure may be immediately adjacent to the cooling plate and / or the module side plate in addition to the gasket that may be disposed between the connection points of the two components.
  • the integrated refrigerant distribution structure may comprise one or more connection points for the vehicle refrigerant circuit in the narrow side of the frame profile.
  • the location of the inlet / outlet connection points is preferably such that the battery pack is easily accessible during the vehicle mounting process.
  • the unitary refrigerant distribution structure of the first and / or second frame profile extends along the longitudinal direction of the first and second frame profiles and is in fluid communication with the first channel through the component section. It further comprises a second channel.
  • the second channel basically extends parallel to the first channel but is not in fluid communication with the connection point with respect to the cooling plate and / or the module side plate. That is, the provision of the second channel may adopt a point for introducing the refrigerant into the first channel and a point for flowing the refrigerant from the first channel to the second channel.
  • the overall cooling of the battery module can be optimized.
  • the construction section is located up to or within 10 cm of the geometric mean of the position of the connection point in the longitudinal extension of the frame profile.
  • the integrated refrigerant structure of each of the first and second frame profiles includes: a first channel for a refrigerant passage extending in a length direction of the first frame profile; One or more connection points in fluid communication with the first channel and respective connection points of the cooling plate and / or the module side plate, and a refrigerant passage extending in the longitudinal direction of the first frame profile and not in fluid communication with the first channel.
  • the second embodiment can be used to independently set two refrigerant flows through the cooling plate in the opposite direction. This allows cooling to be the same in all relevant parts of the battery pack and prevents overheating of a single battery module.
  • it comprises one or more connection points of the first and second channels aligned with the bottom surface of the first frame profile and one or more connection points of the cooling plate aligned with the top surface of the cooling plate.
  • the battery pack will be mounted to the support structure of the vehicle.
  • the vehicle body may be, for example, a vehicle body of a body frame, a self-supporting vehicle body or a space frame type.
  • the body is composed of body parts and is configured for load reception (power suction) during normal operation and in collision situations.
  • the battery pack is fixed to the bottom of the vehicle support structure. That is, the upper side of the frame profile will face the vehicle support structure.
  • the concept of the invention which provides a connection point on the lower side of the frame profile, has the advantage that in the event of a fault the cooling plates can be easily removed, for example a single battery module can be replaced without removing the entire battery pack. .
  • the cooling plate is supported by the arrester member.
  • the precise position of the connection point of the frame profile and the corresponding cooling plate connection point can always be ensured.
  • the first and second frame profiles are preferably made of (extruded) aluminum or aluminum alloy.
  • Extruded aluminum or aluminum alloys exhibit sufficient thermal conductivity and mechanical properties.
  • aluminum has a low weight and low manufacturing cost of aluminum.
  • all other parts of the integral refrigerant structure and the frame profile are made of the same material.
  • the battery module includes a pair of module side plates and a pair of module front plates for constructing a module frame for assembling a plurality of battery cells.
  • At least one module side plate includes an integral refrigerant structure that is part of a liquid refrigerant circuit.
  • the side plates of the module frame thus also comprise an integral refrigerant structure connected to the distribution of the cooling fluid and the liquid cooling circuit. Just cooling the battery cell on the bottom surface greatly improves the temperature distribution in the electrical performance of the battery cell.
  • the liquid cooling circuit of the vehicle can be subdivided, for example, into a first part comprising the cooling plate described above and a second part comprising the module side plate. If the cooling plate is damaged by mechanical shock and leakage of cooling fluid occurs, there will still be separate cooling by the module side plates.
  • the integral refrigerant structure of the module side plate includes a first channel for the refrigerant passage extending in the longitudinal direction of the module side plate and a connection point in fluid communication with each connection point of the integrated refrigerant structure of the first and second frame profiles. good.
  • the integrated refrigerant structure can simply be set in the side plate by defining a refrigerant channel which extends in parallel with the lower side of the side plate, for example, along the longitudinal extension of the side plate. Predefined positions on the two narrow sides of the side plates are provided with connection points for connecting to each connection point of the frame profile.
  • the refrigerant distribution / collection structure may be directly adjacent to the side frame in addition to the gasket, and the gasket may be located between the connection points of both parts.
  • the integral refrigerant structure of the module side plate further includes a second channel for the refrigerant passage extending in the longitudinal direction of the module side plate and a connection point in fluid communication with each connection point of the integral refrigerant structure of the first and second frame profiles. do.
  • the second channel basically extends parallel to the first channel of the module side plate, but need not be in fluid communication in the same way.
  • the first channel of the module side plate may be in fluid communication with the first channel of the first and second frame profiles
  • the second channel of the module side plate is in fluid communication with the second channel of the first and second frame profiles.
  • the liquid cooling circuit of the vehicle may for example be subdivided into a first part comprising a first channel of the module side plate and a second part comprising a second channel of the module side plate. If one of these parts is damaged by mechanical shock and leakage of cooling fluid occurs, there will still be separate cooling by the remaining parts.
  • the module side plate may be made of the same material as the first and second frame profiles.
  • a vehicle comprising a battery pack as defined and described above.
  • the battery pack can be connected to the vehicle cooling circuit at the connection point provided on the narrow side of the frame profile as already described above.
  • the battery pack of the present invention can reduce the number of parts as well as the effort of assembly.
  • FIG. 1 is a view illustrating a vehicle including a battery pack.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a general battery module.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a framework for accommodating a plurality of battery modules according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view illustrating the framework of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the first frame profile taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the framework taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a refrigerant flow according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a refrigerant flow according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating a refrigerant flow according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating a refrigerant flow according to a fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a plan view illustrating the framework of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the first frame profile along the line A-A of FIG.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of the framework taken along the line C-C of FIG.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view of the framework taken along the line B-B of FIG.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of a battery module according to another embodiment.
  • FIG. 16 is a perspective view of the battery module shown in FIG. 15.
  • 17 is a partially enlarged view of a portion of the battery module of FIG. 15.
  • FIG. 18 is an exploded view illustrating a portion of a frame including a frame profile of another embodiment of the present invention.
  • 19 is a cross-sectional view of the first frame profile along the line A-A of FIG.
  • top and bottom are defined along the z axis.
  • the top cover is located above the z axis and the bottom cover below it.
  • the size of components may be exaggerated for clarity.
  • the size or thickness of each component may be arbitrarily presented for purposes of explanation, and thus embodiments of the present invention should not be construed as limited thereto.
  • first and second are used to describe various elements, it will be understood that these elements should not be limited by these terms. This term is only used to distinguish one element from another.
  • the first element may be named the second element, and likewise, the second element may be named the first element without departing from the scope of the present invention.
  • battery packs are usually located on the underside of the vehicle because they require a large amount of space.
  • the battery pack may be secured to the bottom of the vehicle carrying structure.
  • Battery packs according to the prior art usually include a battery housing that acts as an enclosure for sealing the battery pack to the external environment and structurally protects the components of the battery pack.
  • Housing-type battery packs are typically fully mounted in an application environment, such as an electric vehicle.
  • the battery pack may comprise attachment means which may be structurally integrated into the vehicle carrying structure and configured to be connected to the vehicle body for structural integration. That is, the vehicle body portion may include a battery system carrier and may be integrated directly into the vehicle body instead of being mounted or attached to the vehicle body.
  • the present invention can be realized in any of the variants described above. 1 schematically shows a vehicle including a battery pack 10 mounted to the bottom of a transport structure of a vehicle 300.
  • the battery pack 10 of the present invention may include one or more battery modules 100.
  • a plurality of battery cells 80 having a substantially planar shape are stacked and arranged with the terminals 21 and 22 facing upwards.
  • Insulation foils 69 are disposed between neighboring battery cells 80 to avoid unwanted electrical contact between individual battery cells 80.
  • a pair of module front plates 63 are provided at both ends of the stack.
  • the module front plate 63 is mechanically coupled to a pair of module side plates 64 facing the plurality of narrow sidewalls of the battery cell 80.
  • a pair of upper and lower plates 60 are connected to the module front plate 63 and the module side plate 64.
  • the module front plate 63, the module side plate 64, and the module upper and lower plates 60 are intended to assemble a plurality of aligned battery cells 80, that is, mechanical defects on the battery module 100. Configure the module frame to provide. As shown in FIG. 2, the battery cells 80 are electrically connected using a cell connection unit (CCU) 67 as electrical interconnects.
  • the cell connection unit 67 includes a plurality of conductive members (not shown) connected to the anode and cathode module terminals 65 and 66 and the cathode and anode terminals 21 and 22 of the secondary battery cell 80, respectively.
  • the framework 200 includes a first frame profile 210 and a second frame profile 220.
  • the first frame profile 210 and the second frame profile 220 are disposed on the longitudinal (or long side) side of the rectangular framework 200.
  • the other pair of frame profiles 240 and 242 are disposed on the short side (or width direction) side of the framework 200 to connect the first and second frame profiles 210 and 220.
  • the plurality of crossbars 250 divides the interior space surrounded by the frame profiles 210, 220, 240, 242 into seven sections 260. Each of these sections 260 can accommodate up to eight battery modules 100 (not shown in FIG. 3).
  • at least the first frame profile 210 and the second frame profile 220 are made of extruded aluminum.
  • the frame profiles 210 and 220 and the crossbars 250 may be made of the same material.
  • the battery cell 80 generates a large amount of heat during charging / discharging. The generated heat accumulates in the battery cell 80 to promote deterioration of the battery cell 80.
  • the battery pack 10 further includes a liquid refrigerant circuit.
  • the liquid refrigerant circuit of the battery pack 10 includes a cooling plate 270 in thermal contact with the battery module 100.
  • a cooling plate 270 in thermal contact with the battery module 100.
  • Cooling plate 270 may be made of a metallic material, such as extruded aluminum, such as used in the manufacture of frame profiles 210, 220, 240, 242 and crossbars 250.
  • a passage for the liquid refrigerant is provided inside the cooling plate 270.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the first frame profile 210 along the line A-A of FIG.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the first frame profile 210 and the cooling plate 270 along the line A-A of FIG. 4.
  • the first frame profile 210 basically has a top surface 211 facing the body structure of the vehicle in the final assembled state, a bottom surface 212 facing the cooling plate 270 (see FIG. 6), and a pair of It has a rectangular shape including a longitudinal section (or longitudinal surfaces 213, 214).
  • the first frame profile 210 is arranged with the first channel 215 both arranged proximate to the bottom surface 212 and extending parallel to the longitudinal direction of the first frame profile 210.
  • the second channel 216 is included.
  • the second channel 216 is arranged at the center of the lower surface 212, while the first channel 215 is arranged closer to the longitudinal section 214 facing the interior space of the framework 200. do.
  • the first channel 215 is configured to be in fluid communication with the connection point 217.
  • the configuration through which the fluid passes can be made by a vertical drill hole extending from the bottom surface 212 into the first channel 215.
  • the first channel 215, the second channel 216 and the connection point 217 are components of the integrated refrigerant structure that are part of the liquid refrigerant circuit of the battery pack 10.
  • An arrester member 218 is also provided on the bottom surface 212 of the first frame profile 210.
  • the arrester member 218 extends along the longitudinal direction of the first frame profile 210 below the center of the first frame profile 210, that is, the second channel 216.
  • the cooling plate 270 supports the arrester member 218.
  • the refrigerant structure is completely embedded in the first frame profile 210 to form a portion integral thereto. That is, all the components shown in the cross-sectional state in FIGS. 5 and 6 are made of a single piece of extruded aluminum. More specifically, the refrigerant structure portion is not mounted as a single member to the first frame profile 210.
  • the cooling plate 270 includes a passage 271 for the coolant.
  • On the top surface 272 of the cooling plate 270 is provided another connection point 273 corresponding to the size and position of the connection point 217 of the first frame profile 210. Fluid connection tightness of the cooling plate 270 and the first frame profile 210 is ensured by a gasket 280 provided between the corresponding connection point 217 and the other connection point 273.
  • the second frame profile 220 may comprise a very identical structure, that is, a similar integral refrigerant structure with the first frame profile 210.
  • the cooling plate 270 will have a connection point provided on the side facing the second frame profile 220. That is, the integrated refrigerant structure of the second frame profile 220 also includes a first channel for the refrigerant passage extending in the longitudinal direction of the second frame profile 220, and a connection point between the first channel and the cooling plate 270 is fluid. It will include a connection point that allows for communication.
  • FIG. 7 to 10 are diagrams for explaining the refrigerant flow in accordance with four embodiments.
  • the integrated refrigerant distribution structure of the first frame profile 210 includes a connection point 221 for a vehicle refrigerant circuit (not shown).
  • the connection point 221 is provided on the short side of the first frame profile 210.
  • the second frame profile 220 also includes a connection point 222 aligned on the same side of the framework 200 as the connection point 221 of the first frame profile 210.
  • the connection point 221 represents an inlet through which the liquid refrigerant is supplied to the refrigerant circuit of the battery pack 10, and the connection point 222 is an outlet. Dotted lines in the figure will demonstrate the flow of refrigerant flowing through the first and second frame profiles 210, 220 and the cooling plate 270.
  • connection point 221 is in direct fluid communication with the first channel 215 and the connection point 222 is in direct fashion with the first channel embedded in the second frame profile 220 in a similar manner.
  • the refrigerant is distributed to the seven cooling plates 270 by the integrated refrigerant structure of the first frame profile 210.
  • the refrigerant passing through the cooling plate 270 is collected by the unitary refrigerant structure of the second frame profile 220.
  • a refrigerant flow according to a second embodiment is shown in FIG. 8.
  • the second embodiment is the same as the first embodiment of FIG.
  • the connection point 223 is used as the inlet of the first frame profile 210.2 and flows directly into the second channel 216.
  • the connection point 224 is in fluid communication directly with the second channel of the second frame profile 220.2, which is used as the outlet of the liquid refrigerant.
  • the second channel 216 of the first frame profile 210.2 is in fluid communication with the first channel 215 through the component section (not shown in the figure but represented by the refrigerant flow).
  • the component section here is arranged up to or within 10 cm from the geometric mean of the position of the connection point 217 in the longitudinal extension of both frame profiles 210.2, 220.2. Because of this, the refrigerant temperature distribution for the longitudinal extension of framework 200.2 may be more identical than in the embodiment shown in FIG.
  • a refrigerant flow according to a third embodiment is shown in FIG. Basically, the third embodiment is the same as the first embodiment of FIG.
  • the refrigerant flows into the first channel 215 of the first frame profile 210.3 through the connection point 221 and is collected by the first channel of the second frame profile 220.3 through the cooling plate 270.
  • the first channel of the second frame profile 220.3 is in fluid communication with the second channel via a component section arranged on the longitudinal side of the framework 200.3 opposite the connection point 221.
  • the connection point 224 in fluid communication with the second channel is represented by the refrigerant outlet of the cooling circuit of the battery pack 10.
  • the unitary refrigerant structure of the first frame profile 201.4 and the second frame profile 220.4 is a first channel extending in the longitudinal direction of the frame profile for the refrigerant passage, each connection point of the cooling plate 270.1 and the first Connection points 221 and 222 in fluid communication with the channel, a second channel extending longitudinally of the first and second frame profiles 210.4 and 220.4 for the refrigerant passage and not in fluid communication with the first channel, and cooling with the second channel.
  • Connection points 223 and 224 in fluid communication with each connection point of plate 270.1.
  • the fourth embodiment differs from the other embodiments described above in that there are two independent refrigerant circuits in the battery pack 10 that can be driven in opposite directions (see the refrigerant flows indicated by dashed lines and solid lines in FIG. 10).
  • the coolant temperature can be further equalized in each region of the framework 200.4.
  • the remaining cooling circuit can still prevent overheating of the battery pack.
  • FIG. 11 is a plan view of the framework of FIG. 10, and FIG. 12 is a cross-sectional view of the first frame profile 210.4 along the line A-A of FIG. 10.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of the framework along the line C-C of FIG. 11, and
  • FIG. 14 is an exploded perspective view of the framework along the line B-B of FIG. 11.
  • the first frame profile 210.4 basically has an upper surface 211 facing the body structure of the vehicle in the final assembled state, and a lower surface 212 facing the cooling plate 270.1. And a square shape including a pair of longitudinal sections (or longitudinal surfaces 213 and 214).
  • the first frame profile 210.4 is arranged in close proximity to the lower surface 212 and extends the first channel 215 and the second channel 216 extending parallel to the longitudinal direction of the first frame profile 210.4. Include.
  • the second channel 216 is arranged at the center of the lower surface 212, while the first channel 215 is arranged closer to the longitudinal section 214 facing the interior space of the framework 200.4.
  • An arrester member 218. 1 is provided on the lower surface 212 of the first frame profile 210.4.
  • the arrester member 218. 1 extends in the longitudinal direction of the first frame profile 210.4.
  • the arrester member 218.1 is disposed close to the longitudinal section 213 on the side facing away from the internal space of the framework 200.4.
  • the refrigerant structure is completely embedded in the first frame profile 210.4 to form a portion integral with it. That is, all of the components shown in cross-section in FIGS. 12 and 13 are made of a single piece of extruded aluminum. More specifically, the refrigerant structure portion is not mounted as a single member in the first frame profile 210.4.
  • FIG. 13 is an exploded perspective view of the framework taken along the line C-C of FIG.
  • the second channel 216 is in fluid communication with the connection point 217.1.
  • the configuration through which the fluid passes can be made by a vertical drill hole extending from the bottom surface 212 into the second channel 216.
  • the upper surface of the cooling plate 270.1 is provided with a first connection point 273.1 corresponding to the size and position of the connection point 217.1 of the first frame profile 210.4.
  • the first channel 215 is in fluid communication with the connection point 217.2.
  • the configuration through which the fluid passes can be made by a vertical drill hole extending from the bottom surface 212 into the first channel 215.
  • a second connection point 273.2 corresponding to the size and position of the connection point 217.2 of the first frame profile 210.4.
  • the second frame profile 220.4 may comprise a structure that is very identical to the first frame profile 210.4, that is, a similar integral refrigerant structure.
  • the cooling plate 270.1 will have first and second connection points 217.1 and 217.2 provided on the side facing the second frame profile 220.4.
  • the first connection point 217.1 provided on the side facing the cooling plate 270.1 is in fluid communication by a first refrigerant passage 271.1.
  • the second connection point 217.2 of the cooling plate 270.1 is in fluid communication by the second refrigerant passage 271.2.
  • the first and second refrigerant passages 271.1 and 271.2 are separated from each other. As a result of this, two independent refrigerant circuits are created which can be driven in opposite directions.
  • battery module 100.1 illustrates a battery module 100.1 according to another embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the battery module 100.1 is the same as the battery module 100 described above with reference to FIG. 2.
  • battery module 100.1 includes two stacked stacks of battery cells 80.
  • the cell stack is surrounded by four sides by a module front plate 631 and a module side plate 661.
  • Intermediate plate 68 separates both cell stacks and improves fixation of battery cells 80.
  • the cell stack is typically compressed with any compressive force and secured through the side plate 661.
  • the assembly of the module front plate 631 and the module side plate 661 is called a module frame.
  • the joining of the module frames can be made, for example, by welding.
  • the thermal connection of the module side plate 661 to the battery cell 80 may be made by thermal pads, thermal gap fillers, thermal adhesives or direct contact with each other.
  • the adhesive or gap filler may be injected after the module frame is secured around the cell stack.
  • FIG. 17 is an enlarged partial perspective view illustrating one end of the battery module 100.1 of FIG. 15.
  • Both module side plates 661 are made by aluminum extrusion profiles in which the first cooling channel 290 and the second cooling channel 291 are made during the extrusion process.
  • Connection points 294.1 and 294.2 of the first and second cooling channels 290 and 291 are provided on the narrow side of the module side plate 661.
  • the first and second cooling channels 290 and 291 extend in parallel in the longitudinal direction of the module side plate 664. That is, the first and second cooling channels 290 and 291 may be used by separate cooling circuits, at least not in fluid communication with the module side plate 664.
  • Cooling liquid, refrigerant, or air may flow through the first and second cooling channels 290 and 291 to cool the battery cell 80 from one or both sides of the battery module 100.1.
  • This refrigerant structure is completely embedded in the module side plate (64.1) to form an integral part therewith. In other words, all the components are made of a single part of extruded aluminum. Above all, it can be said that the refrigerant structure part is not installed as a separate single part in the module side plate 661.
  • FIG. 18 is an exploded perspective view showing a part of a frame including the frame profile 210.5, which is an exploded perspective view along the line C-C of FIG.
  • the frame profile 210.5 may be used in combination with the battery module 100.1 described above.
  • the frame profile 210.5 is similar to the frame profile 210.4 shown in FIG. 13 except that the connection points 292.1, 292.2, 292.3, 292.4 are provided at the end faces of the frame profile 210.5 facing inward of the frame.
  • connection points 292.1, 292.2, 292.3, 292.4 establish a fluid connection to the first and second cooling channels 290, 291 embedded in the module side plate 661 of the battery module 100.1 shown in Figs. 15-17. Can be used.
  • the lower connection point 294.2 of the first cooling channel 290 lies against the lower connection point 292.2 of the frame profile 210.5
  • the second cooling channel 291 Top connection point 294.1 lies against top connection point 292.1 of frame profile 210.5.
  • the fluid connection tightness of the module side plate 661 and the frame profile 210.5 is ensured by a gasket provided between the corresponding connection points.
  • the second frame profile 220 may also have the same structure as the first frame profile 210.5. That is, the second frame profile 220 is similar to the first frame profile 210.5, the integral refrigerant structure having connection points 292.1, 292.2, 292.3, 292.4 for connecting to the module side plate 661 at its longitudinal section. It includes.
  • connection point 292.4 is a battery module 100.1 in which the first channel 215.1 of the first frame profile 210.5 and the first channel 290 of the module side plate 661 establish fluid communication.

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Abstract

본 발명은 일체형 냉매 회로 부재를 갖는 프레임 프로파일을 포함하는 전지 팩(Battery Pack comprising a Frame Profile with Integral Coolant Circuit Elements)에 관한 것이다. 전지 팩은, 각기 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 전지 모듈과, 대향 배치된 제1 프레임 프로파일 및 제2 프레임 프로파일을 포함하는 프레임워크와, 상기 전지 모듈과 열 접촉되는 하나 이상의 냉각 플레이트를 포함하는 액체 냉각 회로를 포함한다.

Description

일체형 냉매 회로 부재를 갖는 프레임 프로파일을 포함한 전지 팩
본 발명은 자동차용 전지 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일체형 냉매 회로 부재를 갖는 프레임 프로파일을 포함한 전지 팩에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 전지 팩을 포함한 자동차에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 물건과 사람들의 운송 수단은 전력을 운전의 원천으로 사용하여 개발되었다. 이러한 전기 자동차는 충전식 전지에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터에 의해 추진되는 자동차이다. 전기 자동차는 전적으로 전지에 의해 구동되거나, 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 구동되는 하이브리드(hybrid) 자동차의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 자동차 전지(EVB, Electric-Vehicle Battery) 또는 견인 전지(traction battery)는 전지 전기 자동차(BEV, Battery Electric Vehicles)의 추진에 사용되는 전지다. 전기 자동차 전지는 지속 시간 동안 전력을 공급할 수 있도록 설계되었으므로 시동, 조명 및 점화 전지와는 다르다. 충전식 또는 이차 전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 1 차 전지와 다르며, 후자는 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적 변환만 제공한다. 저용량의 충전식 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되는 반면, 고용량의 충전식 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충 방전을 가능하게 하기 위해 전해질 용액을 상기 케이스에 주입한다. 예를 들어, 원통형 또는 직사각형인 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다르다. 랩톱 및 가전 제품에서 사용되는 것으로 널리 알려진 리튬 이온(및 유사한 리튬 폴리머) 전지는 개발중인 최신 전기 자동차 그룹에서 가장 두드러진다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자를 연결함으로써 형성된다.
전지 팩은 여러 개의 (바람직하게는 동일한) 전지 모듈의 세트이다. 이들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해 직렬, 병렬 또는 두 가지 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 전지 팩의 구성 요소에는 개별 전지 모듈과, 그 사이에 전기 전도성을 제공하는 상호 연결부가 포함된다. 전지가 안전 작동 영역 외부에서 작동하지 않도록 보호하고, 그 상태를 모니터링하고, 보조 데이터를 계산하고, 그 데이터를 보고하고, 그 환경을 제어하고, 이를 인증하거나 또는 균형 맞추는 것 등에 의해 전지 팩을 관리하도록 전지 관리 시스템(BMS, Battery Management System)이 제공된다.
이러한 전지 팩의 기계적 통합은, 개개의 구성 요소(예: 전지 모듈)사이, 및 이들 구성 요소와 차량의 지지 구조체 사이에 적절한 기계적인 연결을 필요로 한다. 이 연결은 전지 시스템의 평균 사용 수명 동안 지속적으로 기능을 유지하여야 하고 안전해야 한다. 더욱이, 설치 공간과 호환성의 요구 사항을 충족하여야 한다. 이러한 사항은 특히 모바일용 애플리케이션에서 더더욱 그러하다.
전지 모듈의 기계적인 통합은 캐리어 프레임워크(carrier framewark)를 제공하고 이 캐리어 프레임워크 위에 전지 모듈을 배치하는 것에 의해 달성될 수 있다. 전지 셀 또는 전지 모듈의 고정은 프레임워크에 갖추어진 함몰부나 볼트 또는 스크류과 같은 기계적인 상호 연결구에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 전지 모듈은 캐리어 프레임워크의 측면에 측면판을 고정하는 것으로 구속된다. 또한, 커버판은 전지 모듈의 상단 및 하단에 고정될 수 있다.
전지 팩의 캐리어 프레임워크는 차량의 운반 구조물에 장착된다. 전지 팩이 차량의 바닥에 고정되어야 하는 경우, 전지 팩의 캐리어 프레임워크를 통해 관통하는 가령 볼트에 의해 바닥에서 기계적인 연결이 설정될 수 있다. 프레임워크는 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어져 구조의 총 중량을 낮춘다. 종래 기술에 따른 전지 시스템은 임의의 모듈 구조에도 불구하고, 일반적으로 주위 환경에 대해 전지 시스템을 밀폐시키기 위한 인클로저(enclosure)로서 작용하고 전지 시스템의 구성 요소의 구조적인 보호를 제공하기 위한 전지 하우징을 포함한다. 하우징형 전지 시스템은 일반적으로 애플리케이션 환경(예: 전기 자동차)에 전체로 장착된다.
전지 팩의 열적 제어를 제공하기 위해, 이차 전지로부터 발생된 열을 효율적으로 발열, 방출 및/또는 소산시킴으로써 적어도 하나의 전지 모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템이 필요하다. 열 방열/방출/소산이 충분히 수행되지 않으며, 각 전지 셀 사이에 온도 편차가 발생하여 적어도 하나의 전지 모듈은 원하는 양의 전력을 생성할 수 없게 된다. 또한, 내부 온도의 증가는 내부 이상 반응을 가져올 수 있으며 이에 따라 이차 전지의 충전 및 방전 기능이 열화되고 수명이 단축된다. 따라서, 셀에서 발생하는 열을 효율적으로 발열, 방출, 소산시키기 위한 셀 냉각이 요구된다.
이에 열 관리 시스템은, 액체 냉각 회로를 포함할 수 있다. 통상적으로 액체 냉각 회로는 각기 차량 냉각 회로인 전지 모듈과 열 접촉하는 냉각판, 액체 냉매를 이송하기 위한 파이프 또는 호스, 그리고 냉각판에 파이프 또는 호스를 연결하기 위한 연결 부재와 같은 여러 구성 요소들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 이전의 전지 시스템 냉각 회로는 비용 및 신뢰성 측면에서 타격을 줄 수 있는 많은 수의 단일 부품을 포함한다. 특히, 제조 공정의 자동화 진행이 지연될 수 있으며 결함 시스템 부품, 가령, 불량 전지 모듈은 전지 시스템 냉각 회로의 여러 부분의 분리를 요구할 수 있다. 따라서, 이러한 교체 절차는 부담이 될 수 밖에 없다.
본 발명의 목적은 기존 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하거나 감소시키고, 조립의 수고는 물론 부품 수를 줄일 수 있는 전지 팩을 제공하는 것이다.
종래 기술의 하나 이상의 단점은 본 발명에 의해 회피되거나 또는 적어도 감소 될 수있다. 본 발명에 따른 차량용 전지 팩은, 각기 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 전지 모듈과, 대향 배치된 제1 프레임 프로파일 및 제2 프레임 프로파일을 포함하는 프레임워크와, 상기 전지 모듈과 열 접촉되는 하나 이상의 냉각 플레이트를 포함하는 액체 냉각 회로를 포함한다.
상기 제1 프레임 프로파일 및 상기 제2 프레임 프로파일 각각은 상기 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함한다.
상기한 냉각 플레이트의 대안으로서 또는 이에 부가하여, 상기 전지 모듈은 상기 복수의 전지 셀의 조립을 위한 모듈 프레임을 구성하는 한 쌍의 모듈 측면 플레이트 및 한 쌍의 전면 플레이트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 모듈 측면 플레이트는 상기 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함한다. 즉, 냉각 매체는 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트를 통해 분배될 수 있다.
본 발명의 전지 팩은 전지 모듈을 지지하는 금속 프레임워크를 포함한다. 이 금속 프레임워크는 상호 마주하는 2개의 측면을 포함한 사각형상으로 이루어져, 전지 팩의 기계적인 무결점성을 제공하기 위한 모듈 프레임을 구성한다. 전지 팩은 차량 냉각 회로에 결합될 수 있는 액체 냉각 회로를 더욱 포함한다. 전지 팩의 액체 냉각 회로는 하나 이상의 냉각 플레이트, 각기 전지 모듈과 열 접촉하는 다시 말해, 필요한 경우 전지 모듈을 냉각 또는 가열할 수 있는 모듈 측면 플레이트를 포함한다. 특히, 냉각 플레이트는 전지 팩의 1층(전체적으로 또는 부분적으로)을 형성할 수 있고, 전지 모듈은 이 위에 장착될 수 있다.
본 발명의 중요한 측면은 프레임워크의 프레임 프로파일에 전지 냉각 회로의 부분을 통합하는 것이다. 보다 구체적으로, 전지 팩의 냉각 회로는 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트로부터 액체 냉매를 각각 수용하여 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트에 액체 냉매를 분배하기 위한 수단을 포함해야 한다. 본 발명에 따르면, 각각의 프레임 프로파일은 일체형 냉매(분배/수집) 구조를 포함한다. 다시 말해, 견고한 프레임 프로파일은 냉매 채널로 사용되며 냉각 플레이트에 액체 냉매를 분배하거나 냉각 플레이트에 액체 냉매 수집하도록 설계된 일체형 중공을 포함한다. 즉, 냉각 회로의 일부와 프레임 워크의 일부가 공통 구성 요소로 통합된다. 특히, 상기 공통 구성 요소는 일체형 냉매 구조체를 포함하는 2 개의 프레임 프로파일이다. 여기서, 통합은 하나의 피스(piece)로 이루어지거나, 프레임 프로파일에 장착 또는 부착되는 대신 프레임 프로파일에 바로 일체화되는 것으로 이해된다. 따라서, 일체형 냉각 구조체 및 프레임 프로파일의 다른 부분은 가령, 서로 분리될 수 없다. 일체형 냉각 회로의 진보된 부분은 전지 팩의 전체 중량을 증가시키지 않으면서 탁월한 견고성을 제공한다. 또한, 이의 제조 공정은 구성 부품의 수가 상당히 감소되기 때문에 매우 단순화된다.
일체형 냉매 구조체는 제1 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장된 냉매 통로용 제1 채널 및 제1 채널과 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 하나 이상의 연결 포인트를 포함한다.
전술한 실시예에 따르면, 냉매 구조체는 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장하는, 가령, 프레임 프로파일의 하부면에 평행하게 놓이는 냉매 채널을 구성함으로써 프레임 프로파일 내에 간단히 설정될 수 있다. 프레임 프로파일 외측면 소정 위치에, 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트 각각의 연결 포인트와 결합되는 연결 포인트가 제공된다. 따라서, 냉매 분배/수집 구조체는 두 구성 요소의 접속 포인트 사이에 배치될 수 있는 가스킷 외에 냉각 플레이트 및/ 또는 모듈 측면 플레이트에 바로 인접할 수 있다.
일체형 냉매 분배 구조체는 프레임 프로파일의 좁은 측면에서 차량 냉매 회로를 위한 하나 이상의 연결 포인트를 포함 할 수 있다. 입구/출구 연결 포인트의 위치는 전지 팩을 차량에 장착하는 과정에서 쉽게 접근할 수 있도록 하는 위치가 좋다.
제1 실시예에 따르면, 제1 및/또는 제2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 분배 구조체는, 제1,2 프레임 프로파일의 길이 방향을 따라 연장되고 구성 요소 섹션을 통해 제1 채널과 유체 연통하는 냉매 통로용 제2 채널을 더욱 포함한다. 이에 따라, 제2 채널은 기본적으로 제1 채널과 평행하게 연장하나, 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트에 대해 연결 포인트와 유체 연통하지는 않는다. 즉, 제2 채널의 제공은 제1 채널로 냉매를 유입하는 포인트, 제1 채널로부터 제2 채널로 냉매를 유출하는 포인트를 채택할 수 있다. 따라서, 전지 모듈의 전체적인 냉각이 최적화될 수 있다.
구성 섹션은 프레임 프로파일의 종단 방향의 연장에서 연결 포인트의 위치의 기하 평균으로부터 10cm까지 또는 그 범위 내에 위치된다. 제 1 채널로 유입되는 냉매가 중앙 영역에 있는 경우, 전지 팩의 모든 관련 부품 내의 냉매 온도가 보다 동일해져 비효율적인 냉각으로 인한 단일 전지 모듈의 과열을 피할 수 있다.
전술한 제1 실시예의 대안인 제2 실시예에 따르면, 상기 제1,2 프레임 프로파일 각각의 상기 일체형 냉매 구조체는, 상기 제1 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장된 냉매 통로용 제1 채널과, 상기 제1 채널과 상기 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 하나 이상의 연결 포인트와, 상기 제1 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장되며 상기 제1 채널과는 유체 연통하지 않는 냉매 통로용 제2 채널, 및 상기 제2 채널과 상기 냉각 플레이트 및/또는 모듈 측면 플레이트의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 하나 이상의 연결 포인트를 포함한다.
따라서, 제2 실시예는 반대 방향으로 냉각 플레이트를 통해 2 개의 냉매 유동을 독립적으로 설정하는데 사용될 수 있다. 이로 인해 전지 팩의 모든 관련 부품에서 냉각이 동일해지고 단일 전지 모듈의 과열이 방지될 수 있다.
다른 바람직한 설계 옵션에 따르면, 제1 프레임 프로파일의 하부면에 정렬되는 제1,2 채널의 하나 이상의 연결 포인트 및 냉각 플레이트의 상부면에 정렬되는 냉각 플레이트의 하나 이상의 연결 포인트를 포함한다.
일반적으로, 전지 팩은 차량의 지지 구조체에 장착될 것이다. 차량의 구성 방법에 따라, 차체는 예를 들어 차체 프레임, 자기 지지(self-supporting) 차체 또는 스페이스 프레임 타입의 차체일 수 있다. 차체는 차체 부품으로 구성되며, 정상 작동 중 및 충돌 상황에서 하중 수용(파워 흡입)을 위해 구성된다. 일반적으로 전지 팩은 차량 지지 구조체의 바닥에 고정된다. 즉, 프레임 프로파일의 상부 측은 차량 지지 구조체와 마주 할 것이다. 프레임 프로파일의 하부 측에 연결 포인트를 제공하는 본 발명의 컨셉은, 결함이 있는 경우, 냉각 플레이트들이 쉽게 분리될 수 있고, 가령 단일 전지 모듈이 전체 전지 팩을 분리하지 않고도 교체될 수 있다는 이점을 갖는다. 바람직하게는, 프레임 프로파일의 하부 측에 어레스터(arrester) 부재가 제공되고 냉각 플레이트와 프레임 프로파일의 일체형 냉매 분배 구조체가 유체 연통 상태에 있을 때, 냉각 플레이트는 어레스터 부재에 받친다. 이에 따라, 프레임 프로파일의 접속 포인트와 이와 대응하는 냉각 플레이트 접속 포인트의 정확한 위치가 항상 보장될 수 있다.
제1,2 프레임 프로파일은 (압출 성형된) 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지는 것이 좋다. 압출 성형 알루미늄 또는 알루미늄 합금(alloy 또는 sheath)은 충분한 열 전도성 및 기계적 특성을 보인다. 또한, 알루미늄은 알루미늄은 중량이 적고 제조 비용이 낮다. 따라서, 일체형 냉매 구조체 및 프레임 프로파일의 다른 모든 부분은 동일한 재료로 제조된다.
전지 모듈은 복수의 전지 셀을 조립하기 위한 모듈 프레임을 구성하기 위한 한 쌍의 모듈 측면 플레이트와 한 쌍의 모듈 전면 플레이트를 포함한다. 적어도 하나의 모듈 측면 플레이트는 액체 냉매 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함한다. 이에 따라 모듈 프레임의 측면 플레이트도 냉각 유체의 분배 및 액체 냉각 회로에 연결된 일체형 냉매 구조체를 포함한다. 전지 셀을 바닥면에서 냉각시키는 것만으로도 전지 셀의 전기 성능 중 온도 분포를 크게 향상시킨다. 차량의 액체 냉각 회로는 예를 들어 상술한 냉각 플레이트를 포함하는 제 1 부분과 모듈 측면 플레이트를 포함하는 제 2 부분으로 세분될 수 있다. 냉각 플레이트가 기계적 충격에 의해 손상되고 냉각 유체의 누출이 발생하는 경우에도, 여전히 모듈 측면 플레이트에 의해 별도의 냉각이 존재할 것이다.
모듈 측면 플레이트의 일체형 냉매 구조체는, 모듈 측면 플레이트의 길이 방향으로 연장되는 냉매 통로용 제 1 채널과, 제1,2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 구조체의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 연결 포인트를 포함하는 것이 좋다.
전술한 실시예에 따르면, 일체형 냉매 구조체는 측면 플레이트의 종단 방향 연장에 따르는, 예를 들어 측면 플레이트의 하부 측에 평행하게 연장되는 냉매 채널을 규정하는 것으로 측면 플레이트 내에 간단히 설정 될 수 있다. 측면 플레이트의 2개 좁은 측면의 미리 정의된 위치에는 프레임 프로파일의 각 연결 포인트에 연결하기 위해 연결 포인트가 제공된다. 따라서, 냉매 분포/수집 구조체는 가스켓 이외에 사이드 프레임에 직접 인접할 수 있으며, 가스켓은 양 부품의 연결 포인트 사이에 위치 할 수 있다.
모듈 측면 플레이트의 일체형 냉매 구조체는, 모듈 측면 플레이트의 길이 방향으로 연장되는 냉매 통로용 제 2 채널과, 제 1 및 제 2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 구조체의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 연결 포인트를 더욱 포함한다.
이에 따라, 제 2 채널은 기본적으로 모듈 측면 플레이트의 제 1 채널과 평행하게 연장되나, 동일하게 유체 연통될 필요는 없다. 특히, 모듈 측면 플레이트의 제 1 채널은 제 1 및 제 2 프레임 프로파일의 제 1 채널과 유체 연통할 수 있고, 모듈 측면 플레이트의 제 2 채널은 제 1 및 제 2 프레임 프로파일의 제 2 채널과 유체 연통할 수 있다. 차량의 액체 냉각 회로는 예를 들어 모듈 측면 플레이트의 제 1 채널을 포함하는 제 1 부분과, 모듈 측면 플레이트의 제 2 채널을 포함하는 제 2 부분으로 세분될 수 있다. 이들 부품 중 하나가 기계적 충격에 의해 손상되고 냉각 유체의 누출이 발생하는 경우, 나머지 부품에 의해 별도의 냉각이 여전히 존재할 것이다.
모듈 측면 플레이트는 제 1 및 제 2 프레임 프로파일과 동일한 재료로 제조 될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 위의 설명과 정의된 바와 같은 전지 팩을 포함하는 차량이 제공된다. 전지 팩은 이미 상술한 바와 같이 프레임 프로파일의 좁은 면에 제공된 연결 포인트에서 차량 냉각 회로에 연결될 수 있다.
본 발명의 추가적인 양태는 종속 청구항 또는 하기의 설명으로부터 알 수 있다.
본 발명의 전지 팩은, 조립의 수고는 물론 부품 수를 줄일 수 있다.
본 기재의 특징들은 첨부 된 도면을 참조하여 예시적인 실시 예를 상세하게 설명함으로써 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
도 1은 전지 팩을 포함하는 차량을 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 전지 모듈을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 전지 모듈을 수용하기 위한 프레임워크를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 프레임워크를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일의 단면도이다.
도 6은 도 4의 A-A선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이다.
도 7은 제1 실시예에 따른 냉매 흐름을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 냉매 흐름을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 냉매 흐름을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 10은 제4 실시예에 따른 냉매 흐름을 설명하기 위해 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 프레임워크를 도시한 평면도이다.
도 12는 도 11의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일의 단면도이다.
도 13은 도 11의 C-C 선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이다.
도 14는 도 11의 B-B 선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전지 모듈의 분해 사시도이다.
도 16은 도 15의 전지 모듈의 결합 사시도이다.
도 17은 도 15의 전지 모듈의 일부 단부를 부분적으로 확대 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예의 프레임 프로파일을 포함한 프레임의 한 부분을 도시한 분해 사이도이다.
도 19는 도 18의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내고, 중복되는 설명은 생략된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다.
여기에서, 용어 "상부" 및 "하부"는 z 축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 z 축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 그 하부에 위치한다. 도면에서, 구성요소의 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성요소의 크기 또는 두께는 설명의 목적으로 임의로 제시될 수 있으며, 따라서 본 발명의 실시예는 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
"제 1" 및 "제 2"라는 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제 1 요소는 제 2 요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로, 제 2 요소는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 제 1 요소로 명명될 수 있다.
전기 또는 하이브리드 차량에서, 전지 팩은 큰 공간을 요구하므로 일반적으로 차량의 하부 쪽에 위치한다. 특히, 전지 팩은 차량 운반 구조물의 바닥에 고정될 수 있다. 종래 기술에 따른 전지 팩은 어떤 모듈식 구조에도 불구하고 대개 외부 환경에 대해 전지 팩을 밀폐시키기 위한 인클로저의 역할을 하고 전지 팩의 구성 요소를 구조적으로 보호하는 전지 하우징을 포함한다. 하우징형 전지 팩은 일반적으로 애플리케이션 환경(예: 전기 자동차)에 전체로 장착된다. 대안적으로 전지 팩은, 차량 운반 구조물에 구조적으로 일체화될 수 있으며 구조적 일체화를 위해 차량 몸체에 연결되도록 구성된 부착 수단을 포함할 수 있다. 즉, 차량 몸체 부분은 전지 시스템 캐리어를 포함할 수 있으며 차량 몸체에 장착 또는 부착되는 대신 차량 몸체에 직접 일체화될 수 있다. 본 발명은 앞서 설명한 변형예들 중 어느 하나로 실현될 수 있다. 도 1은 차량(300)의 운반 구조물의 바닥에 장착된 전지 팩(10)을 포함한 차량을 개략적으로 도시한다.
도 2는 일반적인 전지 모듈(100)을 도시한 분해 사시도이다. 본 발명의 전지 팩(10)은 하나 이상의 전지 모듈(100)을 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 실질적으로 평면 형상을 갖는 복수의 전지 셀(80)이 단자(21,22)를 윗쪽으로 향하게 하여 적층 배열된다. 개별 전지 셀(80) 사이에 원하지 않는 전기 접촉을 피하기 위하여, 절연 호일(foil, 69)이 이웃하는 전지 셀(80) 사이에 배치된다. 한 쌍의 모듈 전면 플레이트(63)가 스택의 양단에 제공된다. 모듈 전면 플레이트(63)는 전지 셀(80)의 복수의 좁은 측벽과 마주하는 한 쌍의 모듈 측면 플레이트(64)에 기계적으로 결합된다. 또한, 한 쌍의 상,하부 플레이트(60)가 모듈 전면 플레이트(63)와 모듈 측면 플레이트(64)에 연결된다. 모듈 전면 플레이트(63), 모듈 측면 플레이트(64) 및 모듈 상,하부 플레이트(60)는, 복수의 정렬된 전지 셀(80)을 조립하기 위한 즉, 전지 모듈(100)에 기계적인 무결점성을 제공하기 위한 모듈 프레임을 구성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전지 셀들(80)은 전기적인 상호 연결구로서 셀 연결 유닛(cell connection unit, CCU, 67)을 사용하여 전기적으로 연결된다. 셀 연결 유닛(67)은 음극 및 양극 모듈 단자(65,66)와 이차 전지 셀(80)의 양극 및 음극 단자(21,22)에 각기 연결된 복수의 전도 부재(미도시)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복수의 전지 모듈을 수용하여 지지하기 위한 금속 프레임워크(200)를 도시한 사시도이다. 프레임워크(200)는 제1 프레임 프로파일(210)과 제2 프레임 프로파일(220)을 포함한다. 제1 프레임 프로파일(210)과 제2 프레임 프로파일(220)은 직사각형 프레임워크(200)의 길이 방향(또는 장변 방향) 측에 배치된다. 다른 한 쌍의 프레임 프로파일(240,242)은 프레임워크(200)의 단변 방향(또는 폭 방향) 측에 배치되어 제1,2 프레임 프로파일(210,220)을 연결한다. 또한, 다수의 크로스바(250)는 프레임 프로파일(210,220,240,242)에 의해 둘러싸인 내부 공간을 7개의 섹션(260)으로 구분한다. 이들 각각의 섹션(260)은 최대 8개의 전지 모듈(100, 도 3에 도시되지 않음)을 수용할 수 있다. 도시된 실시예에 있어, 적어도 제1 프레임 프로파일(210)과 제2 프레임 프로파일(220)은 압출 성형된 알루미늄으로 만들어진다. 또한, 이들 프레임 프로파일(210,220) 및 크로스바(250)은 같은 재질로 만들어지는 것이 좋다.
일반적으로, 전지 셀(80)은 충/방전하는 동안 많은 양의 열을 발생시킨다. 발생된 열은 전지 셀(80)에 축적되어 전지 셀(80)의 열화를 촉진한다. 따라서, 전지 팩(10)은 액체 냉매 회로를 더욱 포함한다. 전지 팩(10)의 액체 냉매 회로는 전지 모듈(100)과 열적으로 접촉하는 냉각 플레이트(270)를 포함한다. 구체적으로, 프레임워크(200)의 바닥부에 7개의 냉각 플레이트(270), 즉, 각각의 섹션(260)의 지지 플로워로서도 기능할 수 있는 각각의 냉각 플레이트(270)가 제공된다. 냉각 플레이트(270)은 금속 재료, 예를 들어 프레임 프로파일(210,220,240,242) 및 크로스바(250)의 제조에 사용된 것 같은 압출 성형된 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 냉각 플레이트(270) 내부에는 액체 냉매를 위한 통로가 제공된다.
도 5는 도 4의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일(210)의 단면도이다. 도 6은 도 4의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일(210)과 냉각 플레이트(270)의 분해 사시도이다. 제1 프레임 프로파일(210)은 기본적으로 최종 조립된 상태에서 차량의 몸체 구조와 마주하는 상부면(211)과, 냉각 플레이트(270, 도 6 참조)와 마주하는 하부면(212) 및 한 쌍의 종단면(또는 길이 방향 면, 213, 214)을 포함하는 사각 형상으로 이루어진다. 도시된 실시예에 있어, 제1 프레임 프로파일(210)은, 양쪽 모두 하부면(212)에 근접하여 배열되며 제1 프레임 프로파일(210)의 길이 방향과 평행하게 연장한 제1 채널(215)과 제2 채널(216)을 포함한다. 보다 구체적으로, 제2 채널(216)은 하부면(212)의 중심부에 배열되는 반면, 제1 채널(215)은 프레임워크(200)의 내부 공간과 마주하는 종단면(214)에 더욱 근접되어 배열된다. 제1 채널(215)은 연결 포인트(217)와 유체가 통하도록 구성된다. 도시된 실시예에 있어, 유체가 통하도록 하는 구성은 하부면(212)으로부터 제1 채널(215)로 연장된 수직 드릴 홀에 의해 이루어질 수 있다. 제1 채널(215), 제2 채널(216) 및 연결 포인트(217)는 전지 팩(10)의 액체 냉매 회로의 일부분인 일체형 냉매 구조체의 구성 요소들이다.
또한, 어레스터(arrester) 부재(218)가 제1 프레임 프로파일(210)의 하부면(212)에 제공된다. 여기서, 어레스터 부재(218)는 제1 프레임 프로파일(210)의 중심부 즉, 제2 채널(216) 아래로 제1 프레임 프로파일(210)의 길이 방향을 따라 연장된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 플레이트(270)와 제1 프레임 프로파일(210)의 일체형 냉매 구조체가 유체 연통 가능한 상태에 있을 때, 냉각 플레이트(270)는 어레스터 부재(218)에 받친다.
도시된 바와 같이, 냉매 구조체는 제1 프레임 프로파일(210)에 온전히 매립되어 이에 일체된 부분을 형성한다. 즉, 도 5 및 도 6에 단면 상태로 도시된 모든 구성 요소는, 압출 성형된 알루미늄의 단일 피스(piece)로 만들어진다. 보다 구체적으로 냉매 구조체 부분은 제1 프레임 프로파일(210)에 단일 부재로서 장착되지 않는다.
도 6에 단면 상태로 더욱 도시된 바와 같이, 냉각 플레이트(270)는 냉각액을 위한 통로(271)를 포함한다. 냉각 플레이트(270)의 상부면(272) 상에는 제1 프레임 프로파일(210)의 연결 포인트(217)의 크기와 위치에 대응하는 다른 연결 포인트(273)가 제공된다. 냉각 플레이트(270)와 제1 프레임 프로파일(210)의 유체 연결 기밀은 대응하는 연결 포인트(217)와 다른 연결 포인트(273) 사이에 제공된 가스킷(280)에 의해 보장된다.
제2 프레임 프로파일(220)은 제1 프레임 프로파일(210)와 매우 동일한 구조 즉, 유사한 일체형 냉매 구조체를 포함할 수 있다. 따라서, 냉각 플레이트(270)는 제2 프레임 프로파일(220)과 마주하는 측에 제공된 연결 포인트를 가질 것이다. 즉, 제2 프레임 프로파일(220)의 일체형 냉매 구조체도 제2 프레임 프로파일(220)의 길이 방향으로 연장한 냉매 통로용 제1 채널과, 이 제1 채널과 냉각 플레이트(270)의 연결 포인트가 유체 연통되도록 하는 연결 포인트를 포함할 것이다.
도 7 내지 도 10은 4개의 실시예에 따른 냉매 흐름을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
구체적으로 도 7의 프레임워크(200)는 도 3 내지 도 6과 관련하여 설명된 프레임워크와 동일하다. 제1 프레임 프로파일(210)의 일체형 냉매 분배 구조체는 차량 냉매 회로(미도시)를 위한 연결 포인트(221)를 포함한다. 이 연결 포인트(221)는 제1 프레임 프로파일(210)의 단변 측에 마련된다. 또한, 제2 프레임 프로파일(220)은 제1 프레임 프로파일(210)의 연결 포인트(221)과 같이 프레임워크(200)의 같은 측면에 정렬된 연결 포인트(222)를 포함한다. 연결 포인트(221)는 액체 냉매가 전지 팩(10)의 냉매 회로로 공급되도록 하는 입구를 나타내며, 연결 포인트(222)는 출구이다. 도면에서 점선은 제1,2 프레임 프로파일(210,220)과 냉각 플레이트(270)를 통해 흐르는 냉매의 흐름을 입증할 것이다.
도시된 제1 실시예에 있어, 접속 포인트(221)는 제1 채널(215)과 직접 유체 연통하며 접속 포인트(222)는 유사한 방식으로 제2 프레임 프로파일(220)에 매립된 제1 채널과 직접 유체 연통한다. 이에 따라, 냉매는 제1 프레임 프로파일(210)의 일체형 냉매 구조체에 의해 7개의 냉각 플레이트(270)로 분배된다. 냉각 플레이트(270)를 통과한 냉매는 제2 프레임 프로파일(220)의 일체형 냉매 구조체에 의해 수집된다.
제2 실시예에 따른 냉매 흐름이 도 8에 도시되어 있다. 기본적으로 제2 실시예는 도 7의 제1 실시예와 동일하다. 그러나 연결 포인트(223)는 제1 프레임 프로파일(210.2)의 입구로 사용되며 제2 채널(216)에 직접 유체 유통된다. 또한, 연결 포인트(224)는 제2 프레임 프로파일(220.2)의 제2 채널에 직접 유체 유통되며, 이는 액체 냉매의 출구로서 사용된다. 제1 프레임 프로파일(210.2)의 제2 채널(216)은 구성 요소 섹션(도면에 보이지는 않지만 냉매 흐름에 의해 나타내어진다)을 통해 제1 채널(215)과 유체 연통한다. 여기서 구성 요소 섹션은 양 프레임 프로파일(210.2, 220.2)의 길이 방향 연장으로 연결 포인트(217) 위치의 기하평균으로부터 10cm까지 또는 그 내에 배치된다. 이로 인해, 프레임워크(200.2)의 길이 방향 연장에 대한 냉매 온도 분배는 도 7에 도시된 실시예에 비해 더욱 동일할 수 있다.
제3 실시예에 따른 냉매 흐름이 도 9에 도시되어 있다. 기본적으로 제3 실시예는 도 7의 제1 실시예와 동일하다. 냉매는 연결 포인트(221)를 통해 제1 프레임 프로파일(210.3)의 제1 채널(215)로 유입되어 냉각 플레이트(270)를 지나 제2 프레임 프로파일(220.3)의 제1 채널에 의해 수집된다. 단, 제2 프레임 프로파일(220.3)의 제1 채널이 연결 포인트(221)을 대향하여 프레임워크(200.3)의 길이방향 측면에 배열된 구성 요소 섹션을 통해 제2 채널과 유체 연통한다. 제2 채널과 유체 연통한 연결 포인트(224)는 전지 팩(10)의 냉각 회로의 냉매 출구로 나타내어진다.
제4 실시예에 따른 냉매 흐름이 도 10에 도시되어 있다. 여기서, 제1 프레임 프로파일(201.4)과 제2 프레임 프로파일(220.4)의 일체형 냉매 구조체는 냉매 통로용으로 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장한 제1 채널, 냉각 플레이트(270.1)의 각 연결 포인트와 제1 채널에 유체 연통하는 연결 포인트(221,222), 냉매 통로용으로 제1,2 프레임 프로파일(210.4,220.4)의 길이 방향으로 연장하고 제1 채널과 유체 연통하지 않는 제2 채널 및, 제2 채널과 냉각 플레이트(270.1)의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 연결 포인트(223,224)를 포함한다.
제4 실시예는 전지 팩(10) 내에 반대 방향(도 10에서 점선과 실선으로 표시된 냉매 흐름 참조)으로 구동될 수 있는 2개의 독립적인 냉매 회로가 있다는 점에서 전술한 다른 실시예들과 다르다. 따라서, 냉매 온도는 프레임워크(200.4)의 각 영역에서 더욱 동일해질 수 있다. 더욱이, 하나의 냉각 회로에 누수가 일어나는 경우에도, 나머지 냉각 회로가 여전히 전지 팩의 과열을 방지할 수 있다.
도 11은 도 10의 프레임워크의 평면도이며, 도 12는 도 10의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일(210.4)의 단면도이다. 도 13은 도 11의 C-C 선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이며, 도 14는 도 11의 B-B 선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1 프레임 프로파일(210.4)은 기본적으로 최종 조립된 상태에서 차량의 몸체 구조와 마주하는 상부면(211)과, 냉각 플레이트(270.1)와 마주하는 하부면(212) 및 한 쌍의 종단면(또는 길이 방향 면, 213, 214)을 포함하는 사각 형상으로 이루어진다. 제1 프레임 프로파일(210.4)은, 양쪽 모두 하부면(212)에 근접하여 배열되며 제1 프레임 프로파일(210.4)의 길이 방향과 평행하게 연장한 제1 채널(215)과 제2 채널(216)을 포함한다. 제2 채널(216)은 하부면(212)의 중심부에 배열되는 반면, 제1 채널(215)은 프레임워크(200.4)의 내부 공간과 마주하는 종단면(214)에 더욱 근접되어 배열된다.
어레스터 부재(218.1)가 제1 프레임 프로파일(210.4)의 하부면(212)에 제공된다. 어레스터 부재(218.1)은 제1 프레임 프로파일(210.4)의 길이 방향으로 연장한다. 여기서, 어레스터 부재(218.1)는 프레임워크(200.4)의 내부공간으로부터 멀어지는 방향 쪽의 종단면(213)에 가깝게 배치된다. 냉각 플레이트(270.1)와 제1 프레임 프로파일(210.4)의 일체형 냉매 구조체가 유체 연통 가능한 상태에 있을 때, 냉각 플레이트(270)는 어레스터 부재(218.1)에 받친다.
도시된 바와 같이, 냉매 구조체는 제1 프레임 프로파일(210.4)에 온전히 매립되어 이에 일체된 부분을 형성한다. 즉, 도 12 및 도 13에 단면 상태로 도시된 모든 구성 요소는, 압출 성형된 알루미늄의 단일 피스(piece)로 만들어진다. 보다 구체적으로 냉매 구조체 부분은 제1 프레임 프로파일(210.4)에 단일 부재로서 장착되지 않는다.
도 13은 도 11의 C-C 선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이다. 제2 채널(216)은 연결 포인트(217.1)과 유체 연통한다. 도시된 실시예에 있어, 유체가 통하도록 하는 구성은 하부면(212)으로부터 제2 채널(216)로 연장된 수직 드릴 홀에 의해 이루어질 수 있다. 냉각 플레이트(270.1)의 상부면에는 제1 프레임 프로파일(210.4)의 연결 포인트(217.1)의 크기와 위치에 대응하는 제1 연결 포인트(273.1)가 제공된다.
도 14는 도 11의 B-B 선에 따른 프레임워크의 분해 사시도이다. 제1 채널(215)은 연결 포인트(217.2)과 유체 연통한다. 도시된 실시예에 있어, 유체가 통하도록 하는 구성은 하부면(212)으로부터 제1 채널(215)로 연장된 수직 드릴 홀에 의해 이루어질 수 있다. 냉각 플레이트(270.1)의 상부면에는 제1 프레임 프로파일(210.4)의 연결 포인트(217.2)의 크기와 위치에 대응하는 제2 연결 포인트(273.2)가 제공된다.
제2 프레임 프로파일(220.4)은 제1 프레임 프로파일(210.4)와 매우 동일한 구조 즉, 유사한 일체형 냉매 구조체를 포함할 수 있다. 따라서, 냉각 플레이트(270.1)는 제2 프레임 프로파일(220.4)과 마주하는 측에 제공된 제1 및 제2 연결 포인트(217.1,217.2)를 가질 것이다. 냉각 플레이트(270.1)을 대향한 면에 제공된 제1 연결 포인트(217.1)는 제1 냉매 통로(271.1)에 의해 유체 연통한다. 유사하게, 냉각 플레이트(270.1)의 제2 연결 포인트(217.2)는 제2 냉매 통로(271.2)에 의해 유체 연통한다. 제1 및 제2 냉매 통로(271.1,271.2)는 서로 분리된다. 이의 결과로, 반대 방향으로 구동될 수 있는 2개의 독립적인 냉매 회로가 만들어진다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 모듈(100.1)을 도시하고 있다. 전지 모듈(100.1)의 기본적인 구성은 도 2를 통해 앞서 설명한 전지 모듈(100)과 같다. 그러나, 전지 모듈(100.1)은 정렬된 2개의 전지 셀(80) 스택을 포함한다. 셀 스택은 모듈 전면 플레이트(63.1)와 모듈 측면 플레이트(64.1)에 의해 4개의 측면이 둘러 싸여진다. 중간 플레이트(68)는 양 셀 스택을 분리하며 전지 셀(80)의 고정을 향상시킨다. 셀 스택은 통상 임의의 압축력으로 압축되어 측면 플레이트(64.1)를 통해 고정된다. 모듈 전면 플레이트(63.1)와 모듈 측면 플레이트(64.1)의 어셈블리는 모듈 프레임라 불린다. 모듈 프레임의 결합은 가령, 용접에 의해 이루어질 수 있다.
전지 셀(80)에 대한 모듈 측면 플레이트(64.1)의 열적 연결은 열 패드, 열 갭 필러, 열 접착제 또는 상호 직접 접촉에 의해 이루어질 수 있다. 열 도전성 접착제 또는 갭 필러의 경우, 접착제 또는 갭 필러는 모듈 프레임이 셀 스택 주위에 고정된 후 주입될 수도 있다.
도 17은 도 15의 전지 모듈(100.1)의 일단부를 도시한 확대 부분 사시도이다. 양 모듈 측면 플레이트(64.1)은 제1 냉각 채널(290)과 제2 냉각 채널(291)이 압출 공정 동안 만들어진 알루미늄 압출 성형 프로파일에 의해 이루어진다. 제1,2 냉각 채널(290,291)의 연결 포인트(294.1,294.2)는 모듈 측면 플레이트(64.1)의 좁은 면에 제공된다. 여기서, 제1,2 냉각 채널(290,291)은 모듈 측면 플레이트(64.1)의 길이 방향으로 평행하게 연장된다. 즉, 제1,2 냉각 채널(290,291)은 모듈 측면 플레이트(64.1) 내에서 적어도 유체적으로 연통되지 않고 별도의 냉각 회로에 의해 사용될 수 있다. 제1,2 냉각 채널(290,291)을 통해 냉각 액체, 냉매 또는 공기가 흘러서 전지 모듈(100.1)의 한쪽 또는 양쪽 측면으로부터 전지 셀(80)을 냉각시킬 수 있다. 이러한 냉매 구조체는 모듈 측면 플레이트(64.1)에 완전히 매립되어 이와 일체형 부품을 형성한다. 다시 말해, 모든 구성 요소들은 압출 성형된 알루미늄의 단일 부품으로 만들어진다. 무엇보다 냉매 구조체 부분이 모듈 측면 플레이트(64.1)에 별개 단일 부품으로서 설치되지 않는다고 할 수 있다.
도 18은 프레임 프로파일(210.5)을 포함하는 프레임의 일부분을 도시한 분해 사시도로서, 도 11의 C-C 선에 따른 분해 사시도이다. 여기서 프레임 프로파일(210.5)은 전술한 전지 모듈(100.1)과 조합되어 사용될 수 있다. 프레임 프로파일(210.5)은 연결 포인트(292.1,292.2,292.3,292.4)가 프레임 안쪽을 향하는 프레임 프로파일(210.5)의 종단면에 제공되는 것을 제외하고, 도 13에 도시된 프레임 프로파일(210.4)과 유사하다. 이들 연결 포인트(292.1,292.2,292.3,292.4)는 도 15 내지 17에 도시된 전지 모듈(100.1)의 모듈 측면 플레이트(64.1)에 내장된 제1,2 냉각 채널(290,291)에 유체 연결을 설정하는데 사용될 수 있다. 전지 모듈(100.1)이 프레임 내에 위치될 때, 제1 냉각 채널(290)의 하부 연결 포인트(294.2)는 프레임 프로파일(210.5)의 하부 연결 포인트(292.2)에 맞서 놓이고, 제2 냉각 채널(291)의 상부 연결 포인트(294.1)는 프레임 프로파일(210.5)의 상부 연결 포인트(292.1)에 맞서 놓인다. 모듈 측면 플레이트(64.1)와 프레임 프로파일(210.5)의 유체 연결 기밀은 대응하는 연결 포인트들 사이에 제공된 가스킷에 의해 보장된다.
상세하게 도시하지는 않았지만 제2 프레임 프로파일(220) 또한 제1 프레임 프로파일(210.5)과 매우 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 프레임 프로파일(220)은 제1 프레임 프로파일(210.5)와 유사하게, 그 종단면에 모듈 측면 플레이트(64.1)와의 연결을 위한 연결 포인트(292.1,292.2,292.3,292.4)를 마련한 일체형 냉매 구조체를 포함한다.
도 19는 도 18의 A-A 선에 따른 제1 프레임 프로파일(210.5)의 단면도이다. 여기서 제1 프레임 프로파일(210.5)은 제1 채널(215.1)과 제2 채널(216.1)을 포함하는데 이들 채널들은 서로 유체 연통하지 않는다. 도 19의 단면도는 제1 프레임 프로파일(210.5)의 종단면(214)에 제공된 연결 포인트(292.3,292.4)를 기준하여 짤라 도시한 것이다. 연결 포인트(292.4)는 덕트(296)를 통해 제1 채널(215.1)과 연결되고, 연결 포인트(292.3)은 덕트(297)를 통해 제2 채널(216.1)과 연결된다. 전술한 바와 같이, 연결 포인트(292.4)는 제1 프레임 프로파일(210.5)의 제1 채널(215.1)과 모듈 측면 플레이트(64.1)의 제1 채널(290)이 유체 연통을 세우는 것으로 전지 모듈(100.1)이 프레임 내에 위치할 때, 모듈 측면 플레이트(64.1)의 연결 포인트(294.2)에 맞서 놓일 것이다. 같은 방식으로 제1 프레임 프로파일(210.5)의 제2 채널(216.1)과 모듈 측면 플레이트(64.1)의 제2 채널(291) 사이에 유체 연통이 세워진다. 이로써 2개의 별도 냉각 회로가 제공될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
-부호의 설명-
10 전지 팩
21, 22 단자
60 모듈 상,하부 플레이트
63, 63.1 모듈 전면 플레이트
64, 64.1 모듈 측면 플레이트
65, 66 음극 단자 및 양극 단자
67 셀 연결 유닛
68 중간 플레이트
69 절연 포일
70 열 패드
80 전지 셀
100, 100.1 전지 모듈
200, 200.1…200.4 프레임워크
210, 210.2…210.5 제1 프레임 프로파일
211 프레임 프로파일의 상부면
212 프레임 프로파일의 하부면
213, 214 프레임 프로파일의 종단면
215, 215.1 제1 채널
216, 216.1 제2 채널
217, 217.1, 217.2 프레임 프로파일의 연결 포인트
218, 218.1 어레스터 부재
220, 220.2…220.4 제2 프레임 프로파일
221, 222, 223, 224 프레임 프로파일의 좁은 면에 배치된 차량 냉매 회로를 위한 연결 포인트
240, 242 프레임워크의 폭 방향에 배치되는 프레임 프로파일
250 크로스바
260 내부 공간 섹션
270, 270.1 냉각 플레이트
271, 271.1, 271.2 냉매 통로
272 냉각 플레이트의 상부면
273, 273.1, 273.2 냉각 플레이트의 연결 포인트
280 가스킷
290 모듈 측면 플레이트의 제1 냉각 채널
291 모듈 측면 플레이트의 제2 냉각 채널
292.1쪋292.4 모듈 측면 플레이트를 위한 프레임 프로파일의 연결 포인트
294.1, 294.2 프레임 프로파일을 위한 모듈 측면 플레이트의 연결 포인트
296, 297 덕트
300 차량

Claims (17)

  1. 각기 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 전지 모듈;
    대향 배치된 제1 프레임 프로파일 및 제2 프레임 프로파일을 포함하는 프레임워크; 및
    상기 전지 모듈과 열 접촉되는 하나 이상의 냉각 플레이트를 포함하는 액체 냉각 회로
    를 포함하며
    상기 전지 모듈은 상기 복수의 전지 셀의 조립을 위한 모듈 프레임을 구성하는 한 쌍의 모듈 측면 플레이트 및 한 쌍의 전면 플레이트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 모듈 측면 플레이트는 상기 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함하며,
    상기 제1 프레임 프로파일 및 상기 제2 프레임 프로파일 각각은 상기 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함하는 차량용 전지 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 냉매 구조체는,
    상기 제1 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장된 냉매 통로용 제1 채널; 및
    상기 제1 채널과 상기 냉각 플레이트의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 하나 이상의 연결 포인트
    를 포함하는 차량용 전지 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 상기 제2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 구조체는, 상기 제1,2 프레임 프로파일의 길이 방향을 따라 연장되고 구성 요소 섹션을 통해 상기 제1 채널과 유체 연통하는 냉매 통로용 제2 채널을 더욱 포함하는 차량용 전지 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구성 요소 섹션은 상기 제1,2 프레임 프로파일의 길이 방향 연장으로 상기 연결 포인트 위치의 기하평균으로부터 10cm까지 또는 그 내에 배치되는, 차량용 전지 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2 프레임 프로파일 각각의 상기 일체형 냉매 구조체는,
    상기 제1 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장된 냉매 통로용 제1 채널;
    상기 제1 채널 및 상기 냉각 플레이트의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 하나 이상의 연결 포인트;
    상기 제1 프레임 프로파일의 길이 방향으로 연장되며 상기 제1 채널과는 유체 연통하지 않는 냉매 통로용 제2 채널; 및
    상기 제2 채널 및 상기 냉각 플레이트의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 하나 이상의 연결 포인트
    를 포함하는 차량용 전지 팩.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 프레임 프로파일의 하부면에 정렬되는 상기 제1,2 채널의 하나 이상의 연결 포인트; 및
    상기 냉각 플레이트의 상부면에 정렬되는 상기 냉각 플레이트의 하나 이상의 연결 포인트
    를 포함하는 차량용 전지 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    어레스터 부재가 상기 제1,2 프레임 프로파일의 하부면에 제공되고, 상기 냉각 플레이트와 상기 제1,2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 구조체가 유체 연통 가능한 상태에 있을 때, 상기 냉각 플레이트는 상기 어레스터 부재에 받치는, 차량용 전지 팩.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일체형 냉매 구조체는 상기 제1,2 프레임 프로파일의 단변 측에 배치된 차량 냉매 회로용의 하나 이상의 연결 포인트를 포함하는 차량용 전지 팩.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1,2 프레임 프로파일은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진 차량용 전지 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 측면 플레이트의 일체형 냉매 구조체는,
    상기 모듈 측면 플레이트의 길이 방향으로 연장된 냉매 통로용 제1 채널; 및
    상기 제1,2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 구조체의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 연결 포인트를 포함하는 차량용 전지 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모듈 측면 플레이트의 일체형 냉매 구조체는,
    상기 모듈 측면 플레이트의 길이 방향으로 연장된 냉매 통로용 제2 채널; 및
    상기 제1,2 프레임 프로파일의 일체형 냉매 구조체의 각 연결 포인트와 유체 연통하는 연결 포인트를 포함하는 차량용 전지 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모듈 측면 플레이트의 상기 제1 채널은 상기 제1,2 프레임 프로파일의 제1 채널과 유체 연통하고, 상기 모듈 측면 플레이트의 상기 제2 채널은 상기 제1,2 프레임 프로파일의 제2 채널과 유체 연통하는 차량용 전지 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 측면 플레이트는 상기 제1,2 프레임 프로파일의 재질과 동일한 재질로 만들어진 차량용 전지 팩.
  14. 제1항에 의한 전지 팩을 포함하는 차량
  15. 각기 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 전지 모듈; 및
    대향 배치된 제1 프레임 프로파일 및 제2 프레임 프로파일을 포함하는 프레임워크
    를 포함하며
    상기 전지 모듈은 상기 복수의 전지 셀의 조립을 위한 모듈 프레임을 구성하는 한 쌍의 모듈 측면 플레이트 및 한 쌍의 전면 플레이트를 포함하고, 적어도 하나의 상기 모듈 측면 플레이트는 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함하며,
    상기 제1 프레임 프로파일 및 상기 제2 프레임 프로파일 각각은 상기 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함하는 차량용 전지 팩.
  16. 각기 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 하나 이상의 전지 모듈;
    대향 배치된 제1 프레임 프로파일 및 제2 프레임 프로파일을 포함하는 프레임워크; 및
    상기 전지 모듈과 열 접촉되는 하나 이상의 냉각 플레이트를 포함하는 액체 냉각 회로
    를 포함하며
    상기 제1 프레임 프로파일 및 상기 제2 프레임 프로파일 각각은 상기 액체 냉각 회로의 부분인 일체형 냉매 구조체를 포함하는 차량용 전지 팩.
  17. 제1항, 제15항 및 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임워크는 사각형상의 금속으로 이루어진, 차량용 전지 팩.
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