KR101684311B1 - 크래쉬 빔을 포함하는 차량용 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 차량에 장착되는 전지팩으로서, 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 구조의 전지모듈 둘 이상이 전기적으로 상호 연결된 상태에서, 상호 밀착 또는 인접하도록 배열되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리, 상기 전지모듈 어셈블리가 탑재되는 베이스 플레이트, 상기 전지모듈 어셈블리를 내장하며, 하단이 베이스 플레이트와 결합되는 팩 하우징, 및 상기 전지모듈들 사이에 위치하고 차량의 크래쉬 빔(crash beam)이 고정되는 빔 고정부를 포함하고 있는 미들 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩을 제공한다.

Description

크래쉬 빔을 포함하는 차량용 전지팩 {Vehicle Battery Pack having Crash Beam}
본 발명은 크래쉬 빔을 포함하는 차량용 전지팩에 관한 것이다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지팩이 사용된다.
중대형 전지팩은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지팩의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
또한, 중대형 전지팩이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식 또는 직렬 및 병렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
한편, 일반적으로 종래의 전지팩은 동적 안정성을 확보하기 위해 전지모듈들을 베이스 플레이트에 고정하고, 적정 개수의 전지모듈들에 대해 엔드 플레이트, 텐션 바 등의 부재를 결합하여 안정적인 구조를 유지하도록 하고 있다.
그러나, 상기 구조의 전지팩은 전지모듈들의 하부가 베이스 플레이트에 고정되어 있는 구조로서, 외부충격의 인가시 전지모듈들이 크게 흔들리게 되며, 엔드 플레이트 및 텐션 바의 결합으로도 전지모듈의 유동을 방지하기에는 한계가 있는 실정이다.
또한, 외부충격에 의해 베이스 플레이트에 고정되어 있는 전지모듈들이 일측으로 기울어지거나, 또는 배열 구조가 변형되는 문제점이 발생하였다.
이러한 유동 현상, 기울어짐, 변형 등은 전지팩 내부에서 전지모듈의 파손, 전기적 연결 구조의 단전 또는 단락의 결과를 초래하므로 안전성에 큰 문제를 발생시키는 원인이 되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 외부 충격이 발생하는 경우에도 전지팩 내부의 전지모듈들의 유동, 기울어짐, 변형 등을 방지하여, 안정적인 고정 구조를 유지함으로써, 안전성을 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,
차량에 장착되는 전지팩으로서,
둘 이상의 전지셀들을 포함하는 구조의 전지모듈 둘 이상이 전기적으로 상호 연결된 상태에서, 상호 밀착 또는 인접하도록 배열되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리;
상기 전지모듈 어셈블리가 탑재되는 베이스 플레이트;
상기 전지모듈 어셈블리를 내장하며, 하단이 베이스 플레이트와 결합되는 팩 하우징; 및
상기 전지모듈들 사이에 위치하고 차량의 크래쉬 빔(crash beam)이 고정되는 빔 고정부를 포함하고 있는 미들 플레이트;
를 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
종래의 전지팩은 적층 배열된 전지모듈들의 하부 부위가 베이스 플레이트에 결합되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 측면 방향의 외부 충격의 인가시 전지모듈들의 상부 부위가 심하게 유동하거나, 전지모듈이 기울어지거나, 또는 변형되는 문제점이 발생하였다.
따라서 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈들 사이에 크래쉬 빔을 고정하는 미들 플레이트를 장착함으로써, 전지모듈들의 배열 구조가 안정적인 구조를 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 전지모듈은 한정된 공간에서 최대의 용량을 가지도록, 직육면체 구조로 형성될 수 있다. 이러한 전지모듈이 상호 밀착 또는 인접하도록 측면 배열된 구조의 전지모듈 어셈블리 또한 직육면체 구조로 형성될 수 있다.
상기 전지팩의 하면에는 차량의 배기관이 위치하는 구조일 수 있다. 따라서, 차량의 구동 시 발생하는 배기관의 열이 전지팩에 전도되는 것을 방지하도록 상기 베이스 플레이트의 하단에는 단열 플레이트가 추가로 장착될 수 있다.
이러한 단열 플레이트는 내구성, 내화학성을 가지는 소재로서 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 금속의 플레이트 상에 단열물질이 부가되어 있는 구조일 수 있다. 상기 단열물질 또한 특별히 한정되지 않고 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 그 중에서도 단열성 및 불연성이 뛰어난 그라스 울(glass wool)이 사용될 수 있다.
또한, 상기 단열 플레이트는 플레이트가 상향 돌출된 절곡 돌출부를 형성하고 있는 구조로 이루어질 수 있고, 상기 절곡 돌출부의 내측에 배기관이 위치하는 구조일 수 있다. 즉, 상기 절곡 돌출부는, 차량의 배기관이 안착될 수 있도록, 상기 배기관의 외형에 대응하는 형상으로 상향 돌출되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
상기 베이스 플레이트에 전지모듈들이 고정되는 구조는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 베이스 플레이트에 레일 구조가 형성되어 있고, 전지모듈들이 상기 레일 구조를 통해 슬라이딩 방식으로 체결되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어질 수 있고, 이러한 구조의 카트리지에 각각 전지셀이 고정된 상태에서 적층 배열되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 카트리지의 하단의 양측 단부에는 외향 돌출부가 형성되어 있을 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 외향 돌출부들을 감싸도록 고정하면서 일측이 베이스 플레이트에 체결되어 상기 카트리지를 베이스 플레이트 상에 고정시키는 복수의 전지모듈 고정 브라켓들이 추가로 포함될 수 있다.
상기 전지모듈들 사이에 위치하는 미들 플레이트는,
하단에 베이스 플레이트에 체결되어 고정되는 하부 결합부가 형성되어 있는 판상형의 플레이트 본체; 및
상기 플레이트 본체의 일면에 결합되어 있고 크래쉬 빔이 측면으로부터 삽입되어 고정되는 관통구가 형성되어 있는 빔 고정부;
를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 크래쉬 빔은 수직 단면이 직사각형인 바(bar) 형태로 이루어질 수 있다. 구체적으로 상기 크래쉬 빔은 수직 단면이 전지모듈들의 적층 방향으로의 폭보다 높이가 큰 직사각형 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 미들 플레이트의 빔 고정부는 크래쉬 빔의 외면에 대응하는 직사각형 형태의 관통구가 형성되어 있는 중공형의 바(bar) 형태로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기 미들 플레이트의 일면에는, 전지모듈들의 배열 구조를 지지하도록, 상기 빔 고정부의 상부 및/또는 하부 방향으로 스페이서가 결합되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 상기 전지팩은 상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 전압을 측정하는 전압 센싱부재를 추가로 포함하고, 상기 전압 센싱부재는 BMS(Battery Management System)와 제 1 와이어 하니스에 의해 연결되어 있으며, 상기 전지모듈 어셈블리의 최외측 전지모듈의 양극 단자 및 음극 단자는 BMS(Battery Management System)와 제 2 와이어 하니스에 의해 연결되어 있는 구조일 수 있다.
이 때, 상기 제 1 와이어 하니스 및 제 2 와이어 하니스는 전지모듈 어셈블리의 상단과 팩 하우징 사이의 공간을 경유하면서 전지모듈 어셈블리의 상단에 고정되어 있는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전지모듈 어셈블리의 상단과 팩 하우징의 내측면 사이에는 상기 제 1 와이어 하니스 및 제 2 와이어 하니스를 감싸면서 보호하는 절연성의 탑 커버가 추가로 장착되어 있는 구조일 수 있다.
상기 전지셀은 적층 배열시 한정된 공간에서 최대의 용량을 가지도록, 장방형의 판상형 전지셀로 형성될 수 있다. 이러한 판상형 전지셀은 예를 들어, 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체를 내장한 후 외주면을 실링한 구조의 파우치형 전지일 수 있다.
또한, 상기 판상형 전지셀은 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가지는 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전지팩이 장착되어 있는 차량을 제공하며, 상기 차량의 예로, 전기차량, 하이브리드 전기차량, 및 플러그-인 하이브리드 전기차량 등을 들 수 있지만 이들만으로 한정되지는 않는다. 상기 전지팩이 장착되어 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 및 플러그-인 하이브리드 전기자동차의 일반적인 구조는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
한편, 상기 전지팩은 특별히 한정되지 않고 다양한 위치에 장착될 수 있다. 하나의 예로, 상기 전지팩은 차량의 운전석과 조수석 사이의 하부에 장착되는 구조일 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈들 사이에 크래쉬 빔을 고정하는 미들 플레이트를 장착하여, 전지모듈들의 배열 구조가 안정적인 구조를 유지하도록 함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 2는 도 1의 분해 사시도이다;
도 3은 도 1에서 하우징을 생략한 구조의 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지팩 하부에 배기관을 위치시킨 구조의 사시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1에서 하우징을 생략한 구조의 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지팩(100)은 전지모듈 어셈블리(110), 베이스 플레이트(130), 팩 하우징 (140), 및 미들 플레이트(150)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
전지모듈 어셈블리(110)는 다수의 전지셀들이 카트리지에 장착되어 적층된 구조를 포함하는 대략 직육면체의 전지모듈들(112)이 전기적으로 상호 연결된 상태에서 상호 인접하도록 측면 배열된 구조로 형성되어 있고, 이러한 전지모듈 어셈블리(110)는 베이스 플레이트(130)에 탑재된 상태로 고정되어 있다.
한 쌍의 텐션 바들(160)는 전지모듈 어셈블리(110)의 상단 모서리 부위에 결합되어 전지모듈들(112)을 지지하고 있고, 팩 하우징(140)은 전지모듈 어셈블리(110)를 보호하도록 감싸면서 하단이 베이스 플레이트(130)에 결합되어 있다.
팩 하우징(140)과 베이스 플레이트(130)의 결합면에는 탄성 구조의 가스켓(132)이 개재되어, 전지팩(100)의 밀봉력을 향상시키는 구조로 이루어져 있다. 또한, 팩 하우징(140)의 양 단부에 각각 브라켓(142a, 142b)을 결합하여 베이스 플레이트(130)와 팩 하우징(140)의 조립 오차가 발생하더라도 결합력 및 밀봉력을 확보하도록 하는 구조로 형성되어 있다.
미들 플레이트(150)는 전지모듈들(112) 사이에 위치하고 있으며, 미들 플레이트(150)의 일면에는 크래쉬 빔(crash beam: 155)이 고정되는 빔 고정부(154), 및 스페이서(156)가 형성되어 있다.
따라서, 측면 방향의 외부 충격의 인가시 크래쉬 빔(154)이 전지모듈들(112)의 배열 구조를 지지함으로써 안정성을 향상시키는 구조로 형성되어 있다. 이러한 크래쉬 빔(155)은 빔 고정부(154)에 삽입된 상태로 고정되어 있으며, 빔 고정부(154)의 폭에 대응하는 폭을 가지는 스페이서(156)가 빔 고정부(154)의 상부에 형성되어 있다.
크래쉬 빔(155)은 수직 단면이 직사각형 형태의 바 형태로 이루어져 있으며, 빔 고정부(154)는 크래쉬 빔(155)이 삽입되어 고정될 수 있도록 크래쉬 빔(155)의 외면에 대응하는 직사각형 형태의 관통구가 형성되어 있는 바 형상으로 이루어져 있다.
전지모듈(112)의 카트리지의 하단에는 각각 외향 돌출부(114)가 형성되어 있고, 다수의 전지모듈 고정 브라켓들(116)은 외향 돌출부(114)들을 감싸면서 고정하고 있다. 이러한 전지모듈 고정 브라켓들(116)은 그것의 하부가 베이스 플레이트(130)에 결합되므로, 따라서, 베이스 플레이트(130)에 전지모듈들(112)이 장착되어 고정되는 구조를 이루고 있다.
또한, 전지모듈들(112)의 전압을 측정하여 BMS(Battery Management System: 170)로 전송하기 위한 구조로서, 전압 센싱부재(도시하지 않음)는 BMS(170)와 제 1 와이어 하니스(172)에 의해 연결되어 있으며, 전지모듈 어셈블리(110)의 최외측 전지모듈(112)의 양극 단자 및 음극 단자는 BMS(170)와 제 2 와이어 하니스(174)에 의해 연결되어 있다.
제 1 와이어 하니스(172) 및 제 2 와이어 하니스(174)는 전지모듈 어셈블리(110)의 상단과 팩 하우징(140) 사이의 공간을 경유하면서 전지모듈 어셈블리(110)의 상단에 고정되어 있다. 전지모듈 어셈블리(110)의 상단과 팩 하우징(140)의 내측면 사이에는 제 1 와이어 하니스(172) 및 제 2 와이어 하니스(174)를 감싸면서 보호하는 절연성의 탑 커버(176)가 장착되어 있다.
도 4에는 도 3의 전지팩 하부에 배기관을 위치시킨 구조의 사시도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전지팩(100)의 하면에는 차량의 배기관(210)이 위치하고 있다. 배기관(210)의 열이 전지팩(100)에 전도되는 것을 방지하도록 베이스 플레이트(130)의 하단에는 단열 플레이트(180)가 추가로 장착되어 있다.
이러한 단열 플레이트(180)는 금속의 플레이트 상에 그라스 울(glass wool)이 부가된 구조로 이루어져 있으며, 배기관(210)이 위치하도록 베이스 플레이트(130) 방향으로 상향 돌출된 절곡 돌출부(182)를 형성하고 있다. 절곡 돌출부(182)는 배기관(210)이 안착되도록 배기관(210)의 외형에 대응하는 형상으로 형성되어 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (25)

  1. 차량에 장착되는 전지팩으로서,
    둘 이상의 전지셀들을 포함하는 구조의 전지모듈 둘 이상이 전기적으로 상호 연결된 상태에서, 상호 밀착 또는 인접하도록 배열되어 있는 구조의 전지모듈 어셈블리;
    상기 전지모듈 어셈블리가 탑재되는 베이스 플레이트;
    상기 전지모듈 어셈블리를 내장하며, 하단이 베이스 플레이트와 결합되는 팩 하우징; 및
    상기 전지모듈들 사이에 위치하고 차량의 크래쉬 빔(crash beam)이 고정되는 빔 고정부를 포함하고 있는 미들 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 전지셀은 프레임 구조의 전지 카트리지 내부에 장착되어 있고,
    상기 카트리지는 전지셀의 양 측면 중 적어도 일 측면이 개방된 상태로 전지셀의 외주면을 고정하는 적어도 한 쌍의 판상형 프레임으로 이루어져 있으며, 카트리지의 하단의 양측 단부에 외향 돌출부가 형성되어 있으며,
    일측이 베이스 플레이트에 체결되고, 타측이 카트리지들의 외향 돌출부들을 감싸도록 고정하는 복수의 전지모듈 고정 브라켓들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는 직육면체 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 하단에는 단열 플레이트가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 단열 플레이트는 금속의 플레이트 상에 단열물질이 부가되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단열물질은 그라스 울(glass wool)인 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 단열 플레이트는 플레이트가 상향 돌출된 절곡 돌출부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 절곡 돌출부는, 차량의 배기관이 안착될 수 있도록, 상기 배기관의 외형에 대응하는 형상으로 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트에는 전지모듈들이 슬라이딩 방식으로 체결되는 레일 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 미들 플레이트는,
    하단에 베이스 플레이트에 체결되어 고정되는 하부 결합부가 형성되어 있는 판상형의 플레이트 본체; 및
    상기 플레이트 본체의 일면에 결합되어 있고 크래쉬 빔이 측면으로부터 삽입되어 고정되는 관통구가 형성되어 있는 빔 고정부;
    를 포함하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 크래쉬 빔은 수직 단면이 직사각형인 바(bar) 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 미들 플레이트의 빔 고정부는 크래쉬 빔의 외면에 대응하는 직사각형 형태의 관통구가 형성되어 있는 중공형의 바(bar) 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 미들 플레이트의 일면에는, 전지모듈들의 배열 구조를 지지하도록, 상기 빔 고정부의 상부 및/또는 하부 방향으로 스페이서가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들 또는 전지모듈들의 전압을 측정하는 전압 센싱부재를 추가로 포함하고, 상기 전압 센싱부재는 BMS(Battery Management System)와 제 1 와이어 하니스에 의해 연결되어 있으며, 상기 전지모듈 어셈블리의 최외측 전지모듈의 양극 단자 및 음극 단자는 BMS(Battery Management System)와 제 2 와이어 하니스에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 와이어 하니스 및 제 2 와이어 하니스는 전지모듈 어셈블리의 상단과 팩 하우징 사이의 공간을 경유하면서 전지모듈 어셈블리의 상단에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리의 상단과 팩 하우징의 내측면 사이에는 상기 제 1 와이어 하니스 및 제 2 와이어 하니스를 감싸면서 보호하는 절연성의 탑 커버가 추가로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 장방형의 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극조립체를 내장한 후 외주면을 실링한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 판상형 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 차량용 전지팩.
  23. 제 1 항 내지 제 8 항 및 제 13 항 내지 제 22 항 중 어느 하나에 따른 차량용 전지팩이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 차량.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 차량은 전기차량, 하이브리드 전기차량, 및 플러그-인 하이브리드 전기차량 중 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 차량.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 차량용 전지팩은 차량의 운전석과 조수석 사이의 하부에 장착되는 것을 특징으로 하는 차량.
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