KR101324409B1

KR101324409B1 - 전지 팩 장치

Info

Publication number: KR101324409B1
Application number: KR1020110097435A
Authority: KR
Inventors: 다까후미 나까하마; 노부미쯔 다다; 겐야 구로까와; 다다시 슈도; 다이헤이 고야마; 다께오 가꾸찌
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-11-01
Also published as: US20120129023A1; CN102479986A; EP2456004A1; JP2012113874A; KR20120055446A; CN102479986B

Abstract

실시 형태의 전지 팩 장치는 전지 모듈, 케이싱, 흡기구, 배기구 및 통기로를 구비한다. 전지 모듈에는 복수의 전지 셀이 서로 적층 배치된다. 상기 케이싱은 상기 전지 모듈을 내부에 수용한 상태에서 설치된다. 상기 흡기구는 상기 케이싱에 설치되어 상기 케이싱 내로 외부 공기를 도입한다. 상기 배기구는 상기 케이싱에 설치되어 상기 흡기구의 위치보다 높은 위치에 배치되고, 상기 케이싱 외부로 배기를 행한다. 상기 통기로는 상기 흡기구와 상기 배기구를 상기 케이싱 내에서 연결하고, 수평 방향에 대하여 경사진다.

Description

전지 팩 장치{BATTERY PACK DEVICE}

본 출원은 2010년 11월 22일 출원된 일본 특허 출원 제2010-260287호로부터의 우선권에 기초하여 그 이득을 청구하고, 그 전체 내용은 본 명세서에서 참조로 원용된다.

본 발명의 실시 형태는 전지 팩 장치에 관한 것이다.

대략 직육면체 형상의 복수의 전지 셀이 절연체 등을 통해 두께 방향으로 적층된 전지 모듈을 전지 저장용의 케이싱 내에 저장되는 전지 팩이 알려져 있다.

이러한 종류의 전지 팩은 에너지 밀도(전지 팩의 단위 체적당의 출력)에서의 향상이 종종 요구된다. 그 결과, 이러한 종류의 전지 팩에는 각종 부품을 조밀하게 배치하는 등의 부품 레이아웃 상의 제약을 받는다. 따라서, 이러한 전지 팩의 몇몇에는, 전지 냉각용의 통풍로를 좁게 하거나, 또는, 냉각 팬 등을 의도적으로 구비하지 않는다. 따라서, 이러한 구조의 전지 팩에서는 냉각 성능의 안정화 등이 항상 요구된다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 안정된 냉각 성능을 얻을 수 있는 전지 팩 장치의 제공을 목적으로 한다.

실시 형태의 전지 팩 장치는 전지 모듈, 케이싱, 흡기구, 배기구 및 통기로를 포함한다. 전지 모듈에는 복수의 전지 셀이 서로 적층 배치된다. 상기 케이싱은 상기 전지 모듈을 내부에 수용한 상태에서 설치된다. 상기 흡기구는 상기 케이싱에 설치되며 상기 케이싱 내로 외부 공기를 도입한다. 상기 배기구는 상기 케이싱에 설치되며 상기 흡기구의 위치보다 상방에 배치되고, 상기 케이싱으로부터 배기를 행한다. 상기 통기로는 상기 흡기구와 상기 배기구를 상기 케이싱 내에서 연결하고, 수평 방향에 대하여 경사진다.

전지 팩 장치는 안정적인 냉각 성능을 가질 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 전지 팩 장치를 모식적으로 도시하는 사시도.
도 2는 도 1의 전지 팩 장치를 흡기구측에서 본 도면.
도 3은 도 2의 전지 팩 장치의 A-A 단면도.
도 4는 도 1의 전지 팩 장치에 포함된 전지 셀을 도시하는 사시도.
도 5는 도 1의 전지 팩 장치와 구조가 상이한 다른 전지 팩 장치를 흡기구측에서 본 도면.
도 6은 비교예의 전지 팩 장치를 흡기구측에서 본 도면.
도 7은 도 6의 전지 팩 장치의 B-B 단면도.
도 8은 제2 실시 형태에 관한 전지 팩 장치를 흡기구측에서 본 도면.
도 9는 도 8의 전지 팩 장치의 C-C 단면도.
도 10은 제3 실시 형태에 관한 전지 팩 장치의 구조를 도시하는 단면도.
도 11은 도 10의 전지 팩 장치를 화살표 D 방향으로부터 본 화살표 상의 도면.
도 12는 도 10의 전지 팩 장치와 구조가 상이한 다른 전지 팩 장치를 흡기구측에서 본 도면.
도 13은 제4 실시 형태에 관한 흡기구측에서 본 전지 장치의 도면.
도 14는 도 13의 전지 팩 장치의 E-E 단면도.
도 15는 제5 실시 형태에 관한 전지 팩 장치의 구조를 도시한 단면도.

이하, 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

<제1 실시 형태>

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 전지 팩 장치(1)는 일반 주택이나 공장 등에서 사용되는 고정형의 전지 팩 장치이다. 구체적으로, 전지 팩 장치(1)는 케이싱(2), 전지 모듈(3), 흡기구(5), 배기구(6), 통기로(통풍로)(7), 상단부 고정구(8), 하단부 고정구(9), 스테이(stays, 10) 및 제어 부품 저장부(12, 14)를 포함한다.

전지 모듈(3)은 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 전지 셀(15)끼리를 서로 적층해서 배치한다. 전지 셀(15)은 도 4에 도시한 바와 같이, 대략 직육면체 형상(박형의 직사각형 상자 형상)으로 각각 형성된다. 전지 셀(15) 각각은 전지 셀 본체(15a)의 단부면(15b)으로부터 돌출된 한 쌍의 단자(15c, 15d)를 구비한다. 이러한 전지 셀(15)은 예를 들어 리튬 이온 전지나 니켈 금속 수소 전지 등의 이차 전지이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상단부 고정구(8) 및 하단부 고정구(9)는 각 전지 셀(15)끼리를 기계적으로 연결한다. 구체적으로는 상단부 고정구(8) 및 하단부 고정구(9)는 전지 셀(15) 사이 또는 전지 셀(15) 주위에 절연지 등을 개재시킨 상태에서, 적층 배치된 복수의 전지 셀(15)을 예를 들어 볼트 및 너트를 사용해서 일체 고정한다.

이들 전지 셀(15)의 한 쌍의 단자(15c, 15d)는 버스바(busbar) 등을 통해 서로에게 접속된다. 구체적으로, 이들 전지 셀(15)은 직렬(또는 병렬)로 서로 접속된다. 서로 기계적으로 고정됨과 함께 전기적으로도 접속된 복수의 전지 셀(15)은 그 외측으로부터 예를 들어 폴리프로필렌(PP) 등의 절연 수지에 의해 커버된다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 케이싱(2)은 이러한 구조의 전지 모듈(3)을 내부에 수용한 상태에서 고정식으로 설치된다. 케이싱(2)은 직사각형의 상자 형상으로 형성된다. 케이싱(2)은 전지 모듈(3)을 정면, 배면, 상면, 저면, 좌측면, 우측면의 6면으로 포위한다. 제어 부품 저장부(12, 14)는 케이싱(2)의 상측 케이싱 부분(2a) 및 하측 케이싱 부분(2b)의 내측에 구비된다. 제어 부품 저장부(12, 14)에는 브레이커, 플러그, 충방전 상황을 계측하는 센서, 계량기, 제어 기판 등의 각종 전자 부품이 구비된다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 스테이(10)는 케이싱(2)의 하측 케이싱 부분(2b) 위의 전지 모듈(3)을 지지한다.

여기서, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(1)가 갖는 냉각 기능에 대해서 상세하게 설명한다. 흡기구(5)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 케이싱(2)의 한쪽의 측면의 2개소에 슬릿 형상으로 형성된다. 이들 2개의 흡기구(5)는 케이싱(2) 내로 외부 공기를 도입한다. 또한, 배기구(6)는 2개의 흡기구(5)와 각각 대응하도록 구비되고, 케이싱(2)의 다른 쪽 측면의 2개소에 슬릿 형상으로 형성된다. 이들 2개의 배기구(6)는 케이싱(2) 상에서, 대응하는 흡기구(5)의 위치보다 상방에 배치된다. 이들 2개의 배기구(6)는 흡기구(5)로부터 도입된 외부 공기를 케이싱(2) 외부로 배기한다. 슬릿 형상의 흡기구(5) 및 배기구(6)는 슬릿의 길이 방향이 수평 방향(화살표 Y 방향)으로 향하도록 형성된다.

또한, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 통기로(7)는 개개의 흡기구(5)로부터 대응하는 상방의 배기구(6)를 향해서 케이싱(2)에서 수평 방향에 대하여 경사지는 방향으로 연장된다. 구체적으로, 통기로(7)는 흡기구(5)로부터 도입된 외부 공기를 케이싱(2) 내측으로 발열하는 전지 모듈(3)과 접촉시킨다. 이 접촉에 의해 가열된 공기는 배기구(6)로부터 외부로 배기된다. 여기서, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(3)은 각 전지 셀(15) 상의 한 쌍의 단자(15c, 15d)의 배열 방향(전지 셀의 폭 방향), 즉, 단자(15c) 및 단자(15d)를 연결하는 직선이 연직 방향(화살표 Z 방향)으로 향한 상태에서 케이싱(2) 내에 수용된다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(3)에서 전지 셀(15)은 흡기구(5)측으로부터 배기구(6)측을 향하는 방향으로 적층 상태로 배치된다. 전지 모듈(3)에서 전지 셀(15)은 흡기구(5)측으로부터 배기구(6)측을 향해서 연직 방향의 위치가 단계적으로 상방에 위치하도록 배치된다. 즉, 상단부 고정구(8) 및 하단부 고정구(9) 각각은 복수의 단차부를 갖는 형상으로 형성된다.

케이싱(2)의 상측 케이싱 부분(2a)의 저면 및 하측 케이싱 부분(2b)의 상면에는 수평 방향(화살표 X 방향)에 대하여 각각α°의 각도만큼 경사진 경사면(2c, 2d)이 형성된다. 즉, 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 통기로(7)는 주로 전지 모듈(3)의 상면 및 저면과, 경사면(2c, 2d) 사이에 개재된 공간에 의해 구성된다. 따라서, 통기로(7)는 케이싱(2) 내에 수용된 전지 모듈(3)의 적어도 상면 및 저면과 각각 접하는 위치에 형성된다.

이러한 전지 팩 장치(1) 대신에, 도 5에 도시한 바와 같이, 수평 방향(전지 셀의 높이 방향인 화살표 Y 방향)에 따라, 나란히 배치된 복수의 전지 모듈(3)이 케이싱(22) 내에 수용된 전지 팩 장치(11)를 형성할 수도 있다. 이 전지 팩 장치(11)에서도 전지 팩 장치(1)와 같은 냉각 성능을 얻을 수 있다.

이어서, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(1) 및 전지 팩 장치(11)의 비교예가 되는 전지 팩 장치(21)를 도 6 및 도 7에 예시한다. 비교예의 전지 팩 장치(21)에서는 통기로(27)가 흡기구(25)로부터 배기구(26)를 향해 경사지지 않고 평탄하다. 따라서, 공기는 도 7의 흡기구(25)측으로부터 배기구(26)측을 향해 쉽게 흐르지 않는다. 또한, 흡기구(25) 및 배기구(26) 양쪽의 입구 근방 영역만 공기가 출입할 가능성이 높다. 이로 인해, 비교예의 전지 팩 장치(21)에서, 전지 모듈(23)을 냉각하는 성능이 불안정해진다고 상정되고, 특히 중앙 부근은 냉각되지 않을 가능성도 있다.

이에 대해, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(1)(및 11)에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 케이싱(2) 내의 전지 모듈(3)의 발열에 의해 가열된 공기가 통기로(7)상의 낮은 측으로부터 높은 측을 향해 흐른다. 따라서, 흡기구(5)로부터 도입된 외부 공기가 케이싱(2) 내에서 전지 모듈(3)의 표면과 접촉한 후, 배기구(6)로부터 외측으로 완만히 배기된다. 이에 의해, 전지 팩 장치(1)(및 11)는 전지 모듈(3)의 안정한 냉각을 실현할 수 있게 한다.

여기서, 도 3에 도시하는 케이싱(2)의 경사면(2c, 2d)의 경사 각도α는 4° 이상 10°이하인 것이 바람직하고 5°가 최적이다. 경사 각도α가 4°미만인 경우, 가온된 공기가 흡기구(5)측으로부터 배기구(6)측을 향해 흐르는 과정에서 체류(stagnant)가 발생하게 된다. 한편, 경사 각도α가 10°을 초과하면, 공기의 흐름이 체류되지 않아도 각종 부품의 조밀한 배치가 곤란해진다. 이에 의해, 이 경우, 전지 팩 장치의 에너지 밀도를 향상시키는 것이 어려워진다. 또한, 전지 팩 장치(1, 11)에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 전지 모듈(3)의 상면 및 저면이 복수의 단차를 갖도록 구성된다. 이에 의해, 전지 팩 장치(1, 11)에서는 전지 모듈(3)의 표면이 외부 공기와 접촉하는 면적이 실질적으로 증가하고, 이에 의해, 높은 냉각 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 흡기구(5) 및 배기구(6)가 전지 모듈(3)의 상면측 및 하면측 양쪽에 있을 경우를 설명했다. 그러나, 외부 공기 온도나 전지 모듈(3)의 발열 상태에 따라서 흡기구(5) 및 배기구(6)는 상면측 또는 하면측 어느 한쪽에 구비될 수 있다. 이는 다음 실시 형태의 어느 것에도 적용된다.

<제2 실시 형태>

이어서, 제2 실시 형태를 도 8 및 도 9에 기초하여 설명한다. 또한, 도 8 및 도 9 에서, 도 1 내지 도 3에 도시한 제1 실시 형태의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여해 그 설명을 생략한다. 또한, 제2 실시 형태는 제1 실시 형태에 변경을 행해서 구성되는 것이며, 변경된 구성에 대해서만 설명한다. 또한, 도 8 및 도 9에서는 도 2 및 도 3에 도시한 스테이(10)의 도시를 생략한다.

구체적으로, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 전지 팩 장치(31)는 연직 방향(전지 셀의 폭 방향인 Z 방향)을 따라 나란히 배열된 복수의 전지 모듈(3)이 케이싱 내에 수용된다. 또한, 전지 팩 장치(31)에서는 케이싱 내의 전지 모듈(3) 사이에도 통기로(7)가 설치된다. 따라서, 전지 팩 장치(31)에서도 안정된 냉각 효과를 기대할 수 있다.

<제3 실시 형태>

계속해서, 제3 실시 형태를 도 10 내지 도 12에 기초하여 설명한다. 또한, 도 10 내지 도 12에서, 도 1 내지 도 3, 도 8 및 도 9에 나타낸 제1 및 제2 실시 형태의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여해 그 설명을 생략한다. 또한, 도 10 및 도 12에서는 도 2 및 도 3에 도시한 스테이(10)의 도시를 생략한다.

도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 전지 팩 장치(41)는 제1 실시 형태에 관한 전지 팩 장치(1)의 구성 이외에, 또한, 전지 모듈(43)에서의 전지 셀(15) 사이의 슬릿 형상의 간극에 의해 형성되는 복수의 통기로(제2 통기로)(47)를 구비한다. 이들의 통기로(47)는 케이싱(2) 내의 연직 방향(전지 셀의 폭 방향인 Z 방향)을 따라 전지 셀(15) 사이를 흐르는 공기의 흐름(airflow)을 형성한다. 여기서, 도 12에 도시한 바와 같이, 연직 방향(Z 방향)을 따라 나란히 배열된 복수의 전지 모듈(43)이 케이싱 내에 수용된 전지 팩 장치(51)를 형성하는 것도 가능하다.

따라서, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(41, 51)에서는 통기로(7) 이외에 복수의 통기로(47)에 의해 개별 전지 셀(15)의 냉각 효과를 높일 수 있다. 결과적으로, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(41, 51)는 전지 모듈(43)에 대한 더욱 안정된 냉각 성능을 실현할 수 있다.

<제4 실시 형태>

제4 실시 형태를 도 13 및 도 14에 기초하여 설명한다. 또한, 도 13 및 도 14에서, 도 1 내지 도 3 및 도 8 내지 도 11에 도시한 제1 내지 제3 실시 형태의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여해 그 설명을 생략한다.

도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(61)에서는 전지 모듈(63)은 전지 셀(15)의 한 쌍의 단자(15c, 15d)가 돌출되어 있는 방향이 연직 방향(Z 방향)을 향한 상태에서 케이싱(2) 내에 수용된다. 이 전지 팩 장치(61)에서도, 전지 모듈(63)에 대한 안정한 냉각 성능을 얻을 수 있다.

전지 셀(15)을 이러한 방향으로 각각 배치하는 경우, 연직 방향(Z 방향)을 따라 복수의 전지 모듈(63)이 나란히 배열된 전지 팩 장치를 형성할 수 있다. 또한, 수평 방향(본 실시 형태의 전지 셀의 폭 방향이 되는 Y 방향)을 따라, 복수의 전지 모듈(63)이 나란히 배열되는 상태의 전지 팩 장치를 형성하는 것도 가능하다.

<제5 실시 형태>

제5 실시 형태를 도 15에 기초하여 설명한다. 또한, 도 15에서, 도 1 내지 도 3, 도 8 내지 도 11, 도 13 및 도 14에 도시한 제1 내지 제4 실시 형태의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여해 그 설명을 생략한다.

도 15에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 전지 팩 장치(71)에서, 전지 모듈(73) 또는 복수의 전지 모듈(73)은 전지 셀(15)의 적층 방향을 수평 방향(화살표 X 방향)에 대하여 경사지게 한 상태에서 케이싱(72) 내에 수용된다.

즉, 전지 팩 장치(71)에서는 전지 모듈(73)의 상면 및 저면을 도 3에 도시한 어떤 단차도 없는 평탄한 면일 수 있다. 이에 따라, 전지 팩 장치(71)에서, 통기로(77)를 관통하는 공기의 체류 등이 보다 발생하기 어려워진다. 결과적으로, 전지 팩 장치(71)에서는 전지 모듈(73)에 대한 양호한 열 제거 효과를 기대할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 전지 팩 장치(71)에서는 전지 모듈(73)의 상면 및 저면을 평탄한 면으로 할 수 있다. 이는, 전지 팩 장치(71)에서의 상단부 고정구(78) 및 하단부 고정구(79)의 형상의 간소화할 수 있고, 따라서 전지 팩 장치 자체의 생산성을 높일 수 있다.

또한, 전지 셀(15)의 적층 방향을 수평 방향(화살표 X 방향)에 대하여 경사지게 한 상태의 전지 모듈(73)을 적용하는 경우, 연직 방향(Z 방향)을 따라 복수의 전지 모듈(73)이 나란히 배열되는 상태의 전지 팩 장치를 형성할 수 있다. 또한, 수평 방향(본 실시 형태의 전지 셀의 높이 방향인 Y 방향)을 따라, 복수의 전지 모듈(73)이 나란히 배열되는 상태의 전지 팩 장치를 형성할 수 있다.

이상, 임의의 실시 형태를 설명했지만, 상술한 실시 형태는 단지 예시적이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 설명한 신규한 실시 형태는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고, 또한, 본 발명의 기술 사상 내에서 본 명세서에서 설명한 실시형태의 다양한 생략, 치환 및 변경이 행해질 수도 있다. 첨부된 청구범위 및 그 등가물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 한 이러한 형태 또는 변경을 포함시키기 위한 것이다.

Claims

전지 팩 장치로서,
복수의 전지 셀을 서로 적층 배치한 전지 모듈과,
상기 전지 모듈을 내부에 수용한 상태에서 설치되는 케이싱과,
상기 케이싱에 설치되며 상기 케이싱 내로 외부 공기를 도입하는 흡기구와,
상기 케이싱에 설치되며 상기 흡기구의 위치보다 상방에 배치되고, 상기 케이싱 외부로 배기를 행하는 배기구와,
수평 방향에 대하여 경사지는 방향으로 상기 흡기구와 상기 배기구를 연결하는, 상기 케이싱 내의 통기로를 구비하는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
상기 통기로는 상기 케이싱 내에 수용된 상기 전지 모듈의 적어도 상면 또는 저면과 접하는 위치에 형성되는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
상기 케이싱 내에는 연직 방향을 따라서 나란히 배열되는 상태로 복수의 상기 전지 모듈이 수용되는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
상기 케이싱 내에는 수평 방향을 따라서 나란히 배열되는 상태로 복수의 상기 전지 모듈이 수용되는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전지 셀 각각은 상기 전지 셀의 단부면으로부터 돌출된 한 쌍의 단자를 구비하고,
상기 전지 모듈은 각각의 전지 셀 상의 상기 한 쌍의 단자를 연결하는 직선 방향을 연직 방향으로 지향시킨 상태로 상기 케이싱 내에 수용되는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전지 셀 각각은 상기 전지 셀의 단부면으로부터 돌출된 한 쌍의 단자를 구비하고,
상기 전지 모듈은 각각의 전지 셀 상의 상기 한 쌍의 단자가 돌출되는 방향을 연직 방향으로 지향시킨 상태로 상기 케이싱 내에 수용되는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
상기 전지 모듈에서의 상기 전지 셀들 사이의 간극에 의해 형성되는 제2 통기로를 더 포함하는, 전지 팩 장치.
제1항에 있어서,
단일 전지 모듈 또는 복수의 상기 전지 모듈은 상기 전지 셀의 적층 방향을 수평 방향에 대하여 경사지게 한 상태로 상기 케이싱 내에 수용되는, 전지 팩 장치.