KR101117687B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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KR101117687B1
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김태용
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Abstract

본 발명은, 복수개의 단위 전지셀을 적층하여 형성되는 배터리 모듈을 상하 및/또는 옆으로 적층하여 형성되는 배터리 팩에서, 배터리 모듈의 처짐 현상을 개선할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈; 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하고, 제1 배터리 모듈에 인접하여 배치되는 제2 배터리 모듈; 및 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈과 접촉되고, 제1 단위 전지셀들과 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 배치되는 적어도 하나의 지지 블록을 포함하고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉한다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 복수개의 단위 전지셀을 적층하여 형성되는 배터리 모듈을 상하 또는 옆으로 적층하여 형성되는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말한다. 이차 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 첨단 전자 기기 분야에서 널리 사용되고 있으며, 자동차용 전지로도 사용되고 있다.
이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함한다. 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비한다. 전해액은 리튬 이온을 포함하는 경우가 많다. 전극 조립체의 양극판과 음극판은 외부로 인출되는 전극 탭을 각각 구비할 수 있다.
전극 조립체는 케이스의 내부에 수납되고, 케이스의 외부로는 전극 단자가 노출될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 외부로 인출되어 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 케이스는 원통형 또는 각형이 될 수 있다.
복수개의 이차 전지의 단위 전지셀이 수평 또는 수직으로 적층되어 배터리 모듈이 형성될 수 있다. 또한, 복수개의 배터리 모듈이 상하 및/또는 옆으로 적층되어 하나의 배터리 팩이 형성될 수 있다.
본 발명은, 복수개의 단위 전지셀을 적층하여 형성되는 배터리 모듈을 상하 및/또는 옆으로 적층하여 형성되는 배터리 팩에서, 배터리 모듈의 처짐 현상을 개선할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈; 상기 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈에 인접하여 배치되는 제2 배터리 모듈; 및 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되고, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 배치되는 적어도 하나의 지지 블록;을 구비하고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉한다.
상기 제1 및 제2 배터리 모듈이 실질적으로 수평 방향으로 연장되고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 단위 전지셀들 위에 놓이고, 상기 제1 단위 전지셀들을 지지할 수 있다.
상기 제1 및 제2 배터리 모듈이 제2 방향으로 공간적으로 떨어지고, 상기 제2 방향이 상기 제1 방향에 실질적으로 수직이 될 수 있다.
상기 지지 블록들이 상기 제2 배터리 모듈 위에 상기 제1 배터리 모듈의 하중을 균일하게 분산시키도록 배열될 수 있다.
삭제
상기 제2 단위 전지셀들이, 두 개의 인접하는 제2 단위 전지셀들의 측면들이 서로 근접되고, 하나의 지지 블록이 상기 두 개의 인접하는 제2 단위 전지셀들 위에 놓이도록, 배열될 수 있다.
상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 탄성 변형될 수 있는 탄성 부재를 포함할 수 있다.
상기 탄성 부재가 고무 부재가 될 수 있다.
상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 배터리 팩 내에서 압축되고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 압축되지 않을 때 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 상기 공간의 거리보다 큰 길이를 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 지지 블록이 제2 배터리 모듈에 고정될 수 있다.
상기 적어도 하나의 지지 블록을 상기 제2 배터리 모듈에 고정하는 접착 부재를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 및 제2 배터리 모듈들과 수직으로 적층되어 결합되는 적어도 하나의 추가 배터리 모듈을 더 구비하고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 수직으로 적층되어 인접하는 배터리 모듈들 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 배터리 모듈이 상기 제1 배터리 모듈의 대응하는 끝부분에 배치되는 제1 배터리 모듈 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 제2 배터리 모듈이 상기 제2 배터리 모듈의 대응하는 끝부분에 배치되는 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트들이 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이에 공간이 형성되도록 상기 제1 단위 전지셀들을 지지할 수 있다.
상기 제1 방향으로 연장되는 측면 프레임들을 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 측면 프레임들이 상기 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트들과 체결되고, 상기 제2 단위 전지셀들을 상기 제2 단위 전지셀들의 측면으로부터 지지할 수 있다.
상기 제1 방향으로 연장되는 강성 부재를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 강성 부재가 상기 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트들과 체결되고, 상기 제2 단위 전지셀들의 상기 제1 배터리 모듈의 반대편의 면들을 지지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 자동차는, 구동력을 제공하는 구동원; 및 상기 구동원에 전기를 공급하도록 형성되는 배터리 팩;을 구비한다. 여기서, 상기 배터리 팩은, 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈; 상기 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈에 인접하여 배치되는 제2 배터리 모듈; 및 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되고, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 배치되는 적어도 하나의 지지 블록을 구비하고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는, 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈 사이의 공간을 정의할 수 있도록, 수직 방향으로 함께 고정되고 각각에 대응되는 엔드 플레이트들을 가지는 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 수직으로 적층하여 고정하는 단계; 및 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 배터리 모듈의 단위 전지셀들 위에 놓여지고, 상기 제1 배터리 모듈을 지지하도록, 상기 공간에 적어도 하나의 지지 블록을 제공하는 단계;를 구비하고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 배터리 모듈의 단위 전지셀들과 접촉하는 배터리 팩의 보강 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는, 제1 방향으로 나란히 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈을 제공하는 단계;
제2 배터리 모듈이 상기 제1 방향으로 나란히 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하도록, 상기 제1 배터리 모듈에 근접하도록 상기 제2 배터리 모듈을 배열하는 단계; 및 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되도록, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 상기 적어도 하나의 지지 블록을 제공하는 단계;를 구비하고, 상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉하는 배터리 팩의 형성 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 복수개의 단위 전지셀을 적층하여 형성되는 배터리 모듈을 상하 및/또는 옆으로 적층하여 형성되는 배터리 팩에서, 배터리 모듈의 처짐 현상을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서, 복수개의 전지셀들이 수평으로 적층되는 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈을 분해하여 각각의 구성 요소들을 더욱 상세하게 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 모듈에 포함되는 단위 전지셀의 외관을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 상하로 적층되는 배터리 모듈들 사이에 지지 블록이 삽입되는 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 배터리 모듈들 사이에 지지 블록이 삽입되어 적층되는 배터리 모듈들을 분리하여 도시한 사시도이다.
도 6은 도 1의 배터리 모듈들이 상하 및 옆으로 적층되어 외부 프레임에 지지되어 형성되는 배터리 팩의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 배터리 팩이 사용되는 실시예로서, 내부에 도 6의 배터리 팩이 수용되는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 실시예에 한정되지 아니하고, 다른 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예들에 한정되도록 해석되어서는 아니 된다. 오히려, 이러한 실시예들은 그 개시가 철저하고 완벽하게 되고, 당업자에게 발명의 범위를 완전히 전달하기 위한 의도로 제공된다.
도면들에서 층들과 영역들의 차원은 설명을 명확히 하기 위하여 과장될 수 있다. 층 또는 구성요소가 다른 층 또는 기판 "위에"라고 언급되는 경우에, 그것은 다른 층 또는 기판의 접촉된 위에 뿐만 아니라 그 사이에 다른 층이 개재되는 것으로 이해될 수 있다.
나아가, 층 또는 구성요소가 다른 층 또는 기판 "아래에"라고 언급되는 경우에, 그것은 다른 층 또는 기판의 접촉된 아래에 뿐만 아니라 그 사이에 다른 층이 개재되는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 층 또는 구성요소가 다른 두 층 "사이에"라고 언급되는 경우에, 그것은 다른 두 층 사이의 유일한 층이 될 수 있을 뿐만 아니라 그 사이에 다른 하나 또는 복수의 층이 개재되는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 명세서 전반에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 가리킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 적어도 하나 이상의 배터리 모듈(100)이 상하 및/또는 옆으로 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 각각의 배터리 모듈(100)은 적어도 하나 이상의 단위 전지셀(110)들이 상하 및/또는 옆으로 적층되어 형성될 수 있다.
이때, 배터리 팩(10)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 배터리 모듈들(100a, 100b) 예를 들어 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈이 제2 방향(Z) 예를 들어 상하로 적층되어 형성될 수 있다.
제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈은 각각 제1 방향(X)으로 적층되어 배열되는 단위 전지셀들(110)을 포함할 수 있다. 제2 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈에 인접하여 배치된다. 이때, 제1 배터리 모듈에 포함되는 단위 전지셀들은 제1 단위 전지셀들이 되고, 제2 배터리 모듈에 포함되는 단위 전지셀들은 제2 단위 전지셀들이 될 수 있다.
여기서, 제2 방향(Z)은 제1 방향(X)에 대하여 실질적으로 수직인 방향이 될 수 있다. 제1 및 제2 배터리 모듈은 제2 방향(Z)으로 공간적으로 떨어지도록 배치될 수 있다.
배터리 모듈들(100a, 100b)은 상하로 적층되는 상부 배터리 모듈(100a)과 하부 배터리 모듈(100b)을 구비할 수 있다. 이때, 제1 배터리 모듈이 상부 배터리 모듈(100a)이 되고, 제2 배터리 모듈이 하부 배터리 모듈(100b)이 될 수 있다.
배터리 모듈들(100a, 100b)이 상하로 적층되는 경우에, 복수개의 단위 전지셀들(110)의 무게로 인하여 상부 배터리 모듈(100a)에서 쳐짐 현상이 발행할 수 있다. 또한, 상부 배터리 모듈(100a)에서의 처짐 현상으로 인한 진동 현상이 발생할 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서는 상하로 적층되는 배터리 모듈들(100a, 100b) 사이에 적어도 하나 이상의 지지 블록(200)이 삽입될 수 있다. 이때, 지지 블록(200)은 배터리 모듈(100)에서 처짐 현상이 발생하는 부분을 지지함으로써, 지지 블록(200)이 배터리 모듈(100)의 쳐짐 현상 및 진동을 완화시킬 수 있다.
지지 블록(200)은 적어도 하나가 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈과 접촉되고, 제1 단위 전지셀들과 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 배치될 수 있다. 이때, 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈은 실질적으로 수평 방향으로 연장될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 지지 블록(200)이 제2 단위 전지셀들 위에 놓이고, 제1 단위 전지셀들을 지지할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서, 복수개의 전지셀들(110)이 수평으로 적층되어 형성되는 배터리 모듈(100)이 도시되어 있다. 도 2에서는 도 1의 배터리 모듈(100)을 분해하여 각각의 구성 요소들을 더욱 상세하게 도시하였다. 배터리 팩은 복수개의 배터리 모듈(100)을 상하 및/또는 옆으로 적층하여 형성된다.
도면을 참조하면, 배터리 모듈(100)은 복수개의 단위 전지셀들(110), 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 측면 프레임(140), 및 엔드 플레이트(150)를 구비할 수 있다.
복수개의 단위 전지셀(110)들이 제1 방향으로 적층되어 배터리 모듈(100)이 형성될 수 있다. 상부 프레임(120)은 제1 방향으로 적층되는 단위 전지셀들(110) 위에 배치되어, 적층되는 단위 전지셀들(110)을 제2 방향에서 지지한다. 하부 프레임(130)은 제1 방향으로 적층되는 단위 전지셀들(110) 아래에 배치되어, 적층되는 단위 전지셀들(110)을 하부에서 지지한다.
측면 프레임(140)은 제1 방향으로 적층되는 단위 전지셀들(110)의 측면에 배치되어, 적층되는 단위 전지셀들(110)을 측면에서 지지한다. 한 쌍의 엔드 플레이트(150)는 각각 제1 방향으로 적층되는 단위 전지셀들(110)의 양 끝단에 배치되어, 적층되는 단위 전지셀들(110)을 양끝에서 지지한다.
상부 및 하부 배터리 모듈(100a, 100b) 각각의 엔드 플레이트들(150)이 상부 배터리 모듈(100a)과 하부 배터리 모듈(100b) 각각의 단위 전지셀들 사이에 공간이 형성되도록 단위 전지셀들을 지지할 수 있다.
여기서, 제1 방향은 도면에서 X 방향이 될 수 있으며, 제2 방향은 도면에서 Z 방향이 될 수 있다. 이때, 배터리 팩(10)이 수평으로 배치되는 경우에 X 방향은 수평 방향이 되고, Z 방향은 수직 방향이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 배터리 팩(10)의 배치 위치에 따라 다르게 해석될 수 있다.
도 3에는 도 1의 배터리 모듈(100)에 포함되는 단위 전지셀(110)의 외관이 도시되어 있다. 전지셀(110)은 복수개가 수평 방향으로 적층되어 배터리 팩을 형성할 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 통상의 각형 전지셀이 적용될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 원형 전지셀 또는 파우치형 전지셀을 포함한 다양한 형상의 전지셀이 적용될 수 있다.
전지셀(110)은 통상의 이차 전지가 적용될 수 있다. 이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함할 수 있다. 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비할 수 있다. 전해액은 리튬 이온을 포함할 수 있다. 전극 조립체의 양극판과 음극판은 각각 외부로 인출되기 위하여 집전부와 전기적으로 연결될 수 있다.
전극 조립체는 케이스(111)의 내부에 수납되고, 케이스(111)의 외부로는 전극 단자(112)가 노출될 수 있다. 양극판 및 음극판과 전기적으로 연결되는 집전부는 전극 단자(112)와 전기적으로 연결될 수 있다. 케이스(111)는 원통형 또는 각형이 될 수 있다. 단위 전지셀(110)은 하나의 케이스(111) 내부에 복수개의 전극 조립체를 포함할 수 있다.
복수개의 단위 전지셀(110)이 수평으로 적층되어 배터리 모듈(100)이 형성될 수 있다. 전지 모듈(100)에서 이웃하여 적층되는 이차 전지들은 전극 단자들(112)이 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 이때, 이웃하는 전지셀(110)들의 전극 단자들(112)이 예를 들어 버스 바(116)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
인접하는 전지셀들(110)은 전극이 교대로 양극과 음극이 서로 엇갈리도록 배열될 수 있다. 복수개의 전지셀(110)은 병렬로 연결되거나, 직렬로 연결되거나, 직렬 및 병렬이 혼합되어 연결될 수 있다. 이에 따라, 복수의 전지셀들(110)은 연속적으로 연결되어서, 하나의 배터리 모듈(100)을 형성할 수 있다. 상기 적층되는 전지셀들(110)의 연결 구조 및 개수는 설계 시 요구되는 충전 및 방전 용량을 고려하여 정해질 수 있다.
케이스(111)의 개구부에는 캡 플레이트(113)가 결합될 수 있다. 캡 플레이트(113)는 얇은 판으로 이루어질 수 있다. 캡 플레이트(113)에는 전해액이 주입되는 전해액 주입구가 형성될 수 있다. 전해액 주입구는 전해액이 주입된 후에 밀봉마개(114)로 밀봉될 수 있다.
또한, 캡 플레이트(113)에는 설정된 내부 압력에 따른 파단될 수 있도록 홈이 형성된 벤트 부재(115)가 형성될 수 있다. 복수개의 단위 전지셀들(110)이 수평으로 적층된 위에 상부 프레임(120)이 배치되는 경우에, 벤트 부재(115) 위에는 상부 프레임(120)의 배기구(121)가 위치될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)은 상술한 바와 같이 리튬-이온 전지가 될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전지셀(110)로 리튬-이온 이차전지 이외에도 니켈-카드뮴 이차전지, 니켈-수소 이차전지, 리튬 전지를 포함한 다양한 종류의 전지가 적용될 수 있다.
한편, 리튬을 포함하는 각각의 단위 전지셀(110)은 충방전 시에 전극 조립체가 팽창 또는 수축하게 된다. 이때, 전극 조립체가 팽창과 수축되는 경우에 케이스(111)에 물리력으로 작용할 수 있다. 그에 따라, 케이스(111)는 전극 조립체의 변화에 상응하는 물리적 팽창과 수축을 하게 된다.
케이스(111)의 변형이 반복되는 팽창과 수축에 의하여 고착화될 수도 있다. 이와 같은 부피의 팽창은 저항을 증가시켜 전지셀(110)의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 엔드 플레이트(150)는 수평 및/또는 수직 방향으로 배열하여 상호 간에 전기적으로 연결된 복수 개의 전지셀(110)의 양 끝단에 한 쌍으로 배치될 수 있다.
이때, 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 측면 프레임(140)은 각각 엔드 플레이트(150)의 상하면 또는 측면에 지지되어 복수 개의 전지셀(110)이 팽창과 수축에 의해서 수평방향으로 더 연장되지 않도록 압축 고정할 수 있다.
엔드 플레이트(150)는 배터리 모듈(100)의 양 끝단에 각각 설치될 수 있다. 한 쌍의 엔드 플레이트(150)는 각각 일면이 배터리 모듈(100)의 최외곽 양쪽에 배치된 전지셀(110)의 외면에 각각 밀착되어 적층되는 전지셀들(110)을 지지한다.
엔드 플레이트(150)는 베이스 플레이트(151)와 플렌지부(152, 153, 154)를 구비할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(151)는 상기 전지셀(110)의 외형을 커버할 수 있는 크기를 가진다. 본 실시예에서는 베이스 플레이트(151)는 대략 사각형이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 플렌지부(152, 153, 154)는 베이스 플레이트(151)로부터 전지셀(110)과 접촉되는 면의 반대 방향으로 벤딩되어 형성될 수 있다.
플렌지부(152, 153, 154)는 상면 플렌지부(152), 하면 플렌지부(153), 및 측면 플렌지부(154)를 구비할 수 있다. 상면 플렌지부(152)는 상부 프레임(120)과 체결된다. 하면 플렌지부(153)는 하부 프레임(130)과 체결된다. 측면 플렌지부들(152)은 각각 대응되는 측면 프레임(140)과 체결된다.
한편, 배터리 모듈(100)은 상하 및/또는 옆으로 적층되어 배터리 팩(10)을 형성할 수 있다. 이때, 인접하여 적층되는 배터리 모듈들(100)은 엔드 플레이트들(140)끼리 체결되어 서로 지지될 수 있다.
이 경우, 상면 플렌지부(152)는 위에 적층되는 배터리 모듈(100)의 하면 플렌지부(153)와 체결될 수 있다. 하면 플렌지부(153)는 아래에 적층되는 배터리 모듈(100)의 상면 플렌지부(152)와 체결될 수 있다. 측면 플렌지부(154)는 인접하는 배터리 모듈(100)의 측면 플렌지부(154)와 체결될 수 있다.
이때, 상면 플렌지부(152), 하면 플렌지부(153), 및 측면 플렌지부(154) 각각에는 상부 프레임(120), 하부 프레임(130), 및 측면 프레임(140)과 볼트와 너트에 의한 나사결합으로 체결될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 용접 등의 방법을 포함한 다양한 방법에 의하여 체결될 수 있다.
상부 프레임(120)은 수평 방향으로 적층되는 복수 개의 전지셀(110) 상부에 배치되며, 엔드 플레이트(150)의 상면의 상면 플렌지부(152)에 체결될 수 있다. 이때, 상부 프레임(120)에는 전지셀(110)의 벤트 부재(115)에 대응하는 위치를 관통하여 배기구(121)가 형성된다.
상부 프레임(120)은 길이방향 양쪽으로 벤딩되는 상부 프레임 절곡부(122)를 가질 수 있다. 상부 프레임 절곡부(122)의 안쪽에는 밀봉부재(123)를 구비한다. 이때, 밀봉부재(123)는 고무 등의 탄성 부재로 형성될 수 있다. 이때, 상부 프레임(120)은 상부에 적층되는 배터리 모듈들(100)의 하부 프레임(120)과 밀봉부재(123)가 개재되어 결합되어, 밀봉된 가스 배출 통로를 형성할 수 있다.
벤트 부재(115)를 통하여 가스 발생 시에 가스가 인접한 이차전지(10)에 영향을 주지 않고 상부 프레임(20)의 배기구(121)를 통하여 유출되도록, 상부 프레임(120)과 벤트 부재(115)사이에는 밀봉링(117)이 구비될 수 있다.
이때, 밀봉링(117)으로는 예를 들어 O링 등이 사용될 수 있다. 이때, 엔드 플레이트(150)의 상부 중앙에는 상부 프레임(120)을 안착시킬 수 있도록 홈(152a)이 형성된다. 따라서, 상부 프레임(120)의 배기구(121)를 전지셀(110)에 밀착시킬 수 있다.
또한, 전지셀(110)과 상부 프레임(120)사이의 밀봉링(117)이 충분한 두께를 갖도록 할 수 있다. 그에 따라, 상부 프레임(120)이 엔드 플레이트(150)에 결합 시에 상부 프레임(120)이 전지셀(110)의 상부에 압력을 발생시켜 그 사이에 개재된 밀봉링(117)을 압축하여 상부 프레임(120)과 전지셀(110)이 밀착되도록 할 수 있다.
하부 프레임(130)은 제1 방향(X) 방향으로 연장되는 강성 부재가 될 수 있다. 이때, 강성 부재는 하부 배터리 모듈의 엔드 플레이트들과 체결되고, 하부 배터리 모듈(100b)의 단위 전지셀들의 상부 배터리 모듈의 반대편의 면들을 지지할 수 있다.
하부 프레임(130)은 복수 개의 전지셀들(110)의 하중을 지지하도록 전지셀들(110)의 하부에 배치되며, 엔드 플레이트(150)의 하부의 하면 플렌지부(152)에 연결된다. 전지셀들(110)의 하중을 견디기 위하여 하부 프레임(130)은 전지셀들(110)을 지지하는 면의 반대 방향으로 벤딩되어 형성되는 하부 프레임 절곡부(132)를 구비할 수 있다. 벤딩된 형상은 하부 프레임(130)의 강도를 보강할 수 있다.
하부 프레임 절곡부(132)는 하부를 향해 오픈된 구조를 가질 수 있다. 또한, 하부 프레임 절곡부(132)는 하부에 적층되는 배터리 모듈(100)의 상부 프레임(120)과 결합되어 가스 통로를 형성할 수 있다. 이때, 상하로 적층되는 배터리 모듈(100)의 하부 프레임(130)과 상부 프레임(120)이 결합되어 형성되는 가스 통로는 가스 발생 시에 가스를 배출하는 덕트 역할을 할 수 있다.
이때, 하부 프레임(130)과 그 아래 적층되는 배터리 모듈(100)의 상부 프레임(120)은 밀봉한 상태에서 가스를 배출시킬 수도 있고, 완전한 밀봉은 아니지만 가스 배출을 유도하는 통로역할을 할 수도 있다. 전지셀(110)에서 가스가 발생하는 경우는 폭발 또는 그에 준하는 급격한 화학반응을 동반하므로, 발생되는 가스의 양이 짧은 시간에 폭발적으로 발생하게 된다. 따라서, 배터리 팩에 가스 배출을 위한 덕트를 형성하게 되면 가스를 용이하게 배출할 수 있게 된다.
측면 프레임(140)은 적층되는 단위 전지셀들(110)을 측면에서 지지하도록 적층된 단위 전지셀들(110)의 측면에 배치될 수 있다. 측면 프레임(140)은 일단의 엔드 플레이트(140)로부터 다른 일단의 엔드 플레이트(140)를 향하여 일정한 폭으로 연장되어 형성될 수 있다.
측면 프레임(140)에는 적어도 하나 이상의 관통홀(141)이 형성되어, 측면 프레임(140)의 하중을 줄일 수 있다. 또한, 측면 프레임(140)은 전지셀들(110)을 지지하는 면의 반대 방향으로 벤딩되어 형성되는 측면 프레임 절곡부(142)를 구비할 수 있다. 측면 프레임 절곡부(142)에 의하여 측면 프레임(140)의 벤딩에 대한 강도를 보강할 수 있다.
한편, 상하로 적층되는 배터리 모듈들(100) 사이에는 적어도 하나 이상의 지지 블록(200)이 개재될 수 있다. 이때, 지지 블록(200)은 배터리 모듈(100)에서 처짐 현상이 발생하는 부분을 지지함으로써, 지지 블록(200)이 배터리 모듈(100)의 쳐짐 현상 및 진동을 완화시킬 수 있다.
도 4 및 5에는 상하로 적층되는 배터리 모듈들 사이에 지지 블록이 삽입되는 실시예가 도시되어 있다.
배터리 팩(10)은 복수개의 배터리 모듈들(100a, 100b)이 상하로 적층되어 형성될 수 있다. 배터리 모듈들(100a, 100b)은 상하로 적층되는 상부 배터리 모듈(100a)과 하부 배터리 모듈(100b)을 구비할 수 있다.
하부 배터리 모듈(100b)의 두 개의 인접하는 단위 전지셀들의 측면들이 서로 근접되도록 배치될 수 있다. 이때, 하나의 지지 블록(200)은 하부 배터리 모듈(100b)의 두 개의 인접하는 단위 전지셀들 위에 놓이도록 배열될 수 있다.
상하로 적층되는 배터리 모듈들(100a, 100b)에서, 지지 블록(200)은 아래층에 배치되는 하부 배터리 모듈(100b)의 전지셀들(110)의 상면과 위층에 배치되는 상부 배터리 모듈(100a)의 전지셀들(110)의 하면과 접촉될 수 있다.
이때, 지지 블록(200)은 상하면 각각에 접착 부재 예를 들어 양면 테이프가 접착되어 배터리 모듈들(100a, 100b)에 접착되어 고정될 수 있다. 다른 실시예로서, 지지 블록(200)과 배터리 모듈의(100a, 100b) 접착면에 접착제가 도포되어, 배터리 모듈들(100a, 100b)에 지지 블록(200)이 접착될 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 그 외의 다양한 방법에 의하여 고정되거나, 별도의 고정 수단 없이 적층되는 배터리 모듈들(100a, 100b) 사이의 압력에 의하여 지지될 수 있다. 이때, 지지 블록(200)이 제1 방향(X)에 실질적으로 수직인 방향으로 탄성 변형될 수 있는 탄성 부재를 포함하여 형성될 수 있다.
지지 블록(200)은 복수개가 사용될 수 있다. 지지 블록(200) 위에 지지되는 상부 배터리 모듈(100a)의 하중을 균등하게 배분할 수 있도록 배치될 수 있다. 이를 위하여, 지지 블록(200)은 상부 프레임(120)을 중심으로 양측에 동일한 개수가 배치될 수 있다. 이 경우, 지지 블록(200)은 짝수 개 배치될 수 있다.
지지 블록(200)은 배터리 모듈들(100a, 100b)이 상호 탄성 지지되도록 탄성부재로 형성될 수 있다. 일 실시예로서, 지지 블록(200)은 고무 재질의 러버 블록이 될 수 있다. 이때, 지지 블록(200)은 상하로 적층되는 배터리 모듈들(100a, 100b)의 전지셀들(110) 사이의 공간의 높이 보다 약간 큰 높이로 형성되어, 탄성 바이어스 되도록 설치될 수 있다.
지지 블록(200)은 원기둥 또는 다각 기둥 또는 중앙부가 볼록한 기둥의 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 전지셀(110)과 안정적인 접촉을 위하여, 전지셀(110)과 접촉되는 면은 평평하게 형성될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 지지 블록(200)의 형상은 이에 한정되지 아니하고 다양한 형상을 가질 수 있다.
지지 블록(200)의 하중을 받는 면에는 관통홀 또는 홈이 형성될 수 있다. 이 경우, 동일한 형상 크기에 대해서도 지지 블록(200)의 탄성력을 크게 할 수 있다. 지지 블록(200)은 상부 배터리 모듈(100a)에서 처짐 현상이 발생하는 부분을 지지함으로써, 지지 블록(200)이 상부 배터리 모듈(100a)의 쳐짐 현상 및 진동을 완화시킬 수 있다.
한편, 적층된 배터리 모듈들(100a, 100b) 중 가장 위에 배치되는 상부 배터리 모듈(100a)에는 상부 프레임(120) 위에 덮는 덮개(125)가 더 구비될 수 있다. 이때, 덮개(125)는 배터리 모듈(100)의 상부 프레임(120) 상에서 상부 프레임(120)을 덮어 그 사이에 가스 배출을 위한 가스 배출 덕트를 형성할 수 있다.
도 6에는 도 1의 배터리 모듈들(100)이 상하 및 옆으로 적층되어 외부 프레임(300)에 지지되어 형성되는 배터리 팩(10)의 일 실시예가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 배터리 팩(10)은 단위 전지셀(110)을 수평 방향으로 배열하여 배터리 모듈(100)을 형성하고, 배터리 모듈(100)을 두 개의 열로 네 층으로 쌓아, 2×4개 총 여덟 개의 배터리 모듈(100)을 결합하여 형성된다.
상부 및 하부 배터리 모듈들과 수직으로 적층되어 결합되는 적어도 하나의 추가 배터리 모듈을 더 구비할 수 있다. 이때, 지지 블록이 수직으로 적층되어 인접하는 배터리 모듈들 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈 사이의 공간을 정의할 수 있도록, 수직 방향으로 함께 고정되고 각각에 대응되는 엔드 플레이트들을 가지는 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 수직으로 적층하여 고정하는 단계; 및 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 배터리 모듈의 단위 전지셀들 위에 놓여지고, 상기 제1 배터리 모듈을 지지하도록, 상기 공간에 적어도 하나의 지지 블록을 제공하는 단계;를 구비하는 배터리 팩의 보강 방법에 의하여 보강될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 제1 방향으로 나란히 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈을 제공하는 단계; 상기 제2 배터리 모듈이 상기 제1 방향으로 나란히 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하도록, 상기 제1 배터리 모듈에 근접하도록 상기 제2 배터리 모듈을 배열하는 단계; 및 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되도록, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 상기 적어도 하나의 지지 블록을 제공하는 단계;를 구비하는 배터리 팩의 형성 방법에 의하여 형성될 수 있다.
도 7에는 배터리 팩(10)이 전기 자동차(1)에 적용된 실시예가 도시되어 있다. 전기 자동차(1)는 차량에 구동력을 제공하는 구동원 및 구동원에 전기를 공급하는 배터리 팩(10)을 구비할 수 있다.
전기 자동차(1)에는 차체(500)의 내부에 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)이 장착될 수 있다. 이 경우, 전기 자동차(1)의 운행에 따라 배터리 팩(10)에 동하중이 전달될 수 있다. 이 경우, 수직 및/또는 수평으로 적층되는 배터리 모듈(100)은 처짐 및/또는 진동이 발생할 수 있다.
하지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서는 지지 블록(200)이 배터리 모듈(100)에서 처짐 현상이 발생하는 부분을 지지하도록 함으로써, 지지 블록(200)이 배터리 모듈(100)의 쳐짐 현상 및 진동을 완화시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 배터리 팩이 적용되는 차량은 전기 자동차(1)에 한정되지 아니하고, 전기로 구동될 수 있는 다양한 형태의 차량이 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수개의 단위 전지셀을 적층하여 형성되는 배터리 모듈을 상하 및/또는 옆으로 적층하여 형성되는 배터리 팩에서, 배터리 모듈의 처짐 현상을 개선할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 배터리 팩, 100a: 상부 배터리 모듈,
100b: 하부 배터리 모듈, 110: 전지셀,
120: 상부 프레임, 130: 하부 프레임,
140: 측면 프레임, 150: 엔드 플레이트,
200:지지 블록.

Claims (18)

  1. 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈;
    상기 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈에 인접하여 배치되는 제2 배터리 모듈; 및
    상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되고, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 배치되는 적어도 하나의 지지 블록;을 구비하고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 모듈이 실질적으로 수평 방향으로 연장되고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 단위 전지셀들 위에 놓이고, 상기 제1 단위 전지셀들을 지지하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 모듈이 제2 방향으로 공간적으로 떨어지고,
    상기 제2 방향이 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지지 블록들이 상기 제2 배터리 모듈 위에 상기 제1 배터리 모듈의 하중을 균일하게 분산시키도록 배열되는 배터리 팩.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 단위 전지셀들이, 두 개의 인접하는 제2 단위 전지셀들의 측면들이 서로 근접되고, 하나의 지지 블록이 상기 두 개의 인접하는 제2 단위 전지셀들 위에 놓이도록, 배열되는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 탄성 변형될 수 있는 탄성 부재를 포함하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄성 부재가 고무 부재인 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 배터리 팩 내에서 압축되고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 압축되지 않을 때 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 상기 공간의 거리보다 큰 길이를 갖는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 제2 배터리 모듈에 고정되는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지지 블록을 상기 제2 배터리 모듈에 고정하는 접착 부재를 더 구비하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 모듈들과 수직으로 적층되어 결합되는 적어도 하나의 추가 배터리 모듈을 더 구비하고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 수직으로 적층되어 인접하는 배터리 모듈들 사이에 배치되는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리 모듈이 상기 제1 배터리 모듈의 대응하는 끝부분에 배치되는 제1 배터리 모듈 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 제2 배터리 모듈이 상기 제2 배터리 모듈의 대응하는 끝부분에 배치되는 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트들이 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이에 공간이 형성되도록 상기 제1 단위 전지셀들을 지지하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 연장되는 측면 프레임들을 더 구비하고,
    상기 측면 프레임들이 상기 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트들과 체결되고, 상기 제2 단위 전지셀들을 상기 제2 단위 전지셀들의 측면으로부터 지지하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 연장되는 강성 부재를 더 구비하고,
    상기 강성 부재가 상기 제2 배터리 모듈 엔드 플레이트들과 체결되고,
    상기 제2 단위 전지셀들의 상기 제1 배터리 모듈의 반대편의 면들을 지지하는 배터리 팩.
  16. 차량에 구동력을 제공하는 구동원; 및
    상기 구동원에 전기를 공급하도록 형성되는 배터리 팩;을 구비하고,
    상기 배터리 팩은,
    제1 방향으로 적층되어 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈;
    상기 제1 방향으로 적층되어 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈에 인접하여 배치되는 제2 배터리 모듈; 및
    상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되고, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 배치되는 적어도 하나의 지지 블록을 구비하고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉하는 자동차.
  17. 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈 사이의 공간을 정의할 수 있도록, 수직 방향으로 함께 고정되고 각각에 대응되는 엔드 플레이트들을 가지는 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 수직으로 적층하여 고정하는 단계; 및
    적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 배터리 모듈의 단위 전지셀들 위에 놓여지고, 상기 제1 배터리 모듈을 지지하도록, 상기 공간에 적어도 하나의 지지 블록을 제공하는 단계;를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제2 배터리 모듈의 단위 전지셀들과 접촉하는 배터리 팩의 보강 방법.
  18. 제1 방향으로 나란히 배열되는 제1 단위 전지셀들을 포함하는 제1 배터리 모듈을 제공하는 단계;
    제2 배터리 모듈이 상기 제1 방향으로 나란히 배열되는 제2 단위 전지셀들을 포함하도록, 상기 제1 배터리 모듈에 근접하도록 상기 제2 배터리 모듈을 배열하는 단계; 및
    적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈과 접촉되도록, 상기 제1 단위 전지셀들과 상기 제2 단위 전지셀들 사이의 공간에 상기 적어도 하나의 지지 블록을 제공하는 단계;를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 지지 블록이 상기 제1 및 제2 단위 전지셀들과 접촉하는 배터리 팩의 형성 방법.
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