KR102101907B1 - 대칭 구조로 장착된 전지모듈들을 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각각 복수의 전지셀들로 구성되어 있는 전지모듈들로서, 적어도 둘 이상의 전지모듈들은 나머지 전지모듈들과 이격된 상태로 대칭 구조를 이루면서 배열되어 있는 전지모듈들; 상기 전지모듈들에 인접하게 장착되어 있고, 전지모듈들의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery management System); 상기 전지모듈들에 인접하게 장착되어 있고, 전지모듈들의 전기적 연결을 제어하는 BDU(Battery Disconnect Unit); 상기 전지모듈들이 상면에 탑재되고 하단부가 외부 디바이스에 고정되는 구조의 베이스 플레이트(base plate); 및 상기 전지모듈들을 감싸면서 베이스 플레이트의 외주변에 결합되는 구조의 팩 커버(pack cover); 를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

대칭 구조로 장착된 전지모듈들을 포함하는 전지팩 {Battery Pack Having Battery Modules of Symmetric Structure}
본 발명은 대칭 구조로 장착된 전지모듈들을 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
최근, 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 충방전이 가능한 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 이차전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다. 또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 엔진을 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 있다. EV, HEV 등의 동력원으로서의 이차전지는 주로 니켈 수소 금속(Ni-MH) 이차전지가 주로 사용되고 있지만, 최근에는 높은 에너지 밀도, 높은 방전 전압 및 출력 안정성의 리튬 이차전지를 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 일부 상용화 단계에 있다.
이러한 이차전지가 자동차의 동력원으로 이용되는 경우, 상기 이차전지는 다수의 전지모듈 내지 전지모듈 어셈블리를 포함하는 전지팩의 형태로 이용된다.
그러나, 이러한 차량용 전지팩은 일반적으로 트렁크와 같은 내부 공간에 탑재된 상태에서, 각 장치들과 전기적으로 연결되므로, 상기 차량 내에서 지나치게 많은 공간을 차지하게 되며, 이에 따라, 상기 차량의 내부 공간을 충분히 활용하는데 한계가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지모듈들 중에서 적어도 둘 이상의 전지모듈들은 나머지 전지모듈들과 이격된 상태로 대칭 구조를 이루면서 배열되어 있는 구조를 포함함으로써, 전지팩의 크기, 형상 및 구조를 보다 다양하게 구성할 수 있으며, 이에 따라, 자동차와 같은 디바이스 내에서, 전지팩의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있고, 전지팩의 용량 대비 부피를 최소화할 수 있어, 디바이스의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 각각 복수의 전지셀들로 구성되어 있는 전지모듈들로서, 적어도 둘 이상의 전지모듈들은 나머지 전지모듈들과 이격된 상태로 대칭 구조를 이루면서 배열되어 있는 전지모듈들;
상기 전지모듈들에 인접하게 장착되어 있고, 전지모듈들의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery management System);
상기 전지모듈들에 인접하게 장착되어 있고, 전지모듈들의 전기적 연결을 제어하는 BDU(Battery Disconnect Unit);
상기 전지모듈들이 상면에 탑재되고 하단부가 외부 디바이스에 고정되는 구조의 베이스 플레이트(base plate); 및
상기 전지모듈들을 감싸면서 베이스 플레이트의 외주변에 결합되는 구조의 팩 커버(pack cover);
를 포함하고 있는 구조로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 전지모듈들 중에서 적어도 둘 이상의 전지모듈들은 나머지 전지모듈들과 이격된 상태로 대칭 구조를 이루면서 배열되어 있는 구조를 포함함으로써, 전지팩의 크기, 형상 및 구조를 보다 다양하게 구성할 수 있으며, 이에 따라, 자동차와 같은 디바이스 내에서, 전지팩의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있고, 전지팩의 용량 대비 부피를 최소화할 수 있어, 디바이스의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있는 효과를 제공한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지모듈들의 대칭 배열 구조는, 둘 이상의 전지모듈들로 구성되어 있는 제 1 전지모듈 어셈블리와, 둘 이상의 전지모듈들로 구성되어 있는 제 2 전지모듈 어셈블리가, 베이스 플레이트 상에서 상호 이격된 상태로 배열되어 있는 구조일 수 있다.
이때, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리들에서 전지모듈들은 각각의 전지셀들이 동일한 배향을 가지도록 상호 배열되어 있는 구조일 수 있다.
상기의 구조의 전지팩은 평면상으로 자동차와 같은 디바이스의 좌석 시트 하단부에 위치해, 상기 다비이스의 좌우 양측에 인가되는 무게가 균형을 이루도록 구성할 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지팩에 의해 인가되는 무게를 고려한 디바이스의 역학적 설계를 보다 용이하게 수행할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리는 베이스 플레이트의 중심부를 기준으로 양측으로 분리 배열되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리의 상단에는 BMS가 장착되어 있고, 상기 제 2 지모듈 어셈블리의 상단에는 BDU가 장착되어 있는 구조로 구성되어, 자동차 등의 다비이스의 좌우 양측에 인가되는 무게가 균형을 이루도록 구성될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 BMS는 제 1 전지모듈 어셈블리의 상단에서 일측 단부쪽으로 편향된 위치에 장착되어 있고, 상기 BDU는 제 2 전지모듈 어셈블리의 상단에서 일측 단부쪽에 편향된 위치에 장착되어 있는 구조일 수 있으며, 상기 BMS 및 BDU는 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리의 상단에서 평행한 위치에 장착되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
이러한 구조는 예를 들어, 자동차 등의 디바이스 후방 좌석 하단에서 전지팩이 장착되는 구조로 전지팩의 상단으로 BMS 및 BDU 등의 전장부재가 돌출되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩은 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 외부 입출력 단자를 포함하는 매뉴얼 서비스 부재(manual service member)를 포함하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리의 상호 이격된 공간에는 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 외부 입출력 단자를 포함하는 매뉴얼 서비스 부재가 위치하는 구조로 구성될 수 있다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 매뉴얼 서비스 부재는 전지모듈 어셈블리들의 높이에 대해 50% 내지 100%에 대응하는 높이로 위치하고 있는 구조일 수 있으며, 상기 외부 입출력 단자에 대응하는 위치에서 팩 커버의 부위에는 개구가 형성되어 있고, 상기 외부 입출력 단자는 팩 커버의 개구를 통해 외부로 노출되어 있는 구조일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전지팩은 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리의 하단에는 냉각부재가 장착되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 냉각 부재는,
전지셀들 사이에 각각 개재되는 냉각 핀들(cooling fin); 및
상기 냉각 핀들의 일측 단부들에 열접촉 되어 있고, 냉매의 유동을 위한 중공 구조의 냉매 유로가 구비되어 있으며, 전지모듈 어셈블리들과 베이스 플레이트의 사이에 위치하는 방열 플레이트;
를 포함하고 있는 구조로 구성될 수 있다.
상기 냉각 부재는 제 1 전지모듈 어셈블리의 하단에 장착되는 제 1 방열 플레이트와 제 2 전지모듈 어셈블리의 하단에 장착되는 제 2 방열 플레이트를 포함하고 있고, 상기 제 1 방열 플레이트와 제 2 방열 플레이트는 냉매 파이프로 연결되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
이때, 상기 제 1 방열 플레이트의 일측에는 냉매 유입구가 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구에 대향하는 위치에서 제 2 방열 플레이트의 타측에는 냉매 배출구가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 상기 냉각 부재는 전지모듈 어셈블리의 전지모듈과 접촉하는 면에 개재되는 열 전도 패드(thermal pad)를 추가로 포함하고 있는 구조일 수 있다.
즉, 상기 냉각 부재는 대칭을 이루는 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리 각각의 하단에 대응되는 제 1 방열 플레이트와 제 2 방열 플레이트를 포함하고, 이들 사이에 냉매 파이프로 연결되어 있는 구조로 구성되어 전지팩 내부의 공간을 활용하는 구조일 수 있다.
본 발명에 따른 베이스 플레이트는 전지모듈들의 대칭 배열 구조를 안정적으로 장착하기 위한 구조로 구성되는 것이 바람직하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 베이스 플레이트는,
대칭 구조를 이루는 전지모듈들이 각각 안착되는 둘 이상의 모듈 수납부들;
상기 모듈 수납부의 측벽에 위치하고, 전지모듈들의 적어도 일부 측면을 지지하는 둘 이상의 엔드 플레이트들(end plate);
전지모듈들이 위치하지 않은 중심부 상에서 전지모듈들 방향으로 상향 돌출되어 있는 격벽; 및
팩 커버와 기계적 결합하기 위하여 외주변 부위에 형성되어 있는 체결부들;
을 포함하는 구조로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 팩 커버는, 전지모듈 어셈블리들에 대면하는 제 1 커버부, BMS 및 BDU가 돌출되어 있는 부위에 대면하는 제 2 커버부를 포함하고 있는 구조로 구성될 수 있다.
따라서, 상기 팩 커버는 내부에 위치하는 BMS 및 BDU에 대응하는 위치에서 돌출되어 있는 제 2 커버부 및 BMS 및 BDU 위치하지 않은 잉여부에 형성되는 제 1 커버부를 포함함으로써, 전지팩의 부피를 차지 하지 않는 잉여 공간을 활용할 수 있고, 전지팩 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
한편, 상기의 전지팩 구조는 자동차 등의 디바이스 후방 좌석 하단에 탑재되는 구조로 바람직하게 적용될 수 있는 바, 구체적으로, 상기 후방 좌석들의 형상에 대응하여, BMS와 BDU는 차량 후미 방향쪽으로 편향된 위치에서 제 1 전지모듈 어셈블리의 상단과 제 2 전지모듈 어셈블리의 상단에 각각 장착되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리의 상호 이격된 공간에는 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 외부 입출력 단자를 포함하는 매뉴얼 서비스 부재를 포함하는 바, 상기 전지팩의 매뉴얼 서비스 부재는 후방 좌석들 사이의 암레스트(armrest)의 하부 공간에 위치하는 구조일 수 있다.
참고로, 상기 전지셀은 리튬이온 전지셀 또는 리튬이온 폴리머 전지셀일 수 있으며, 상기 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성될 수 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
리튬염 함유 비수계 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공할 수 있는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지모듈들 중에서 적어도 둘 이상의 전지모듈들은 나머지 전지모듈들과 이격된 상태로 대칭 구조를 이루면서 배열되어 있는 구조를 포함함으로써, 전지팩의 크기, 형상 및 구조를 보다 다양하게 구성할 수 있으며, 이에 따라, 자동차와 같은 디바이스 내에서, 전지팩의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있고, 전지팩의 용량 대비 부피를 최소화할 수 있어, 디바이스의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 전지모듈들이 탑재된 구조를 개략적으로 나타내는 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈들이 베이스 플레이트에 탑재되는 구조를 나타내는 모식도이다;
도 3 은 도 1의 전지모듈 어셈블리의 구조를 나타내는 모식도이다;
도 4 는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지모듈의 구조를 나타내는 모식도이다;
도 5 는 도 4의 전지모듈들의 하단에 장착되는 냉각 부재의 구조를 나타내는 모식도이다;
도 6은 도 1의 전지모듈들을 내장한 상태로 팩 커버가 결합된 전지팩의 구조를 나타내는 모식도이다.
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 하나의 실시예에 따른 전지팩에서 전지모듈들이 탑재된 구조를 개략적으로 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지모듈들이 베이스 플레이트에 탑재되는 구조 를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 1의 전지모듈 어셈블리의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 전지팩(100)은 전지모듈들(도 3 참조)이 상면에 탑재되고 하단부가 외부 디바이스에 결합되는 구조의 베이스 플레이트(110)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
베이스 플레이트(110)의 상단에는 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)가 베이스 플레이트(110) 상에서 상호 이격된 상태로 배열되어 있는 구조로 구성되어 있다.
즉, 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)는 베이스 플레이트(110)의 중심부를 기준으로 양측으로 분리 배열되어 있는 대칭 구조를 이루고 있다.
또한, 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 상단에는 BMS(140)가 장착되어 있고, 제 2 지모듈 어셈블리(130)의 상단에는 BDU(150)가 장착되어 있는 구조로 구성되어 있고, BMS(140)는 제 1 전지모듈 어셈블리(120)의 상단에서 일측 단부쪽으로 편향된 위치에 장착되어 있고, BDU(150)는 제 2 전지모듈 어셈블리(130)의 상단에서 일측 단부쪽에 편향된 위치에 장착되어 있다.
상기의 구조는 복수개의 전지모듈들이 배열되어 있는 구조의 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)의 상단에서 상대적으로 크기가 작은 BMS(140) 및 BDU(150)가 일측 단부쪽에 편향된 위치에 장착되는 구조로서, 전지팩의 부피를 차지 하지 않는 잉여 공간을 활용할 수 있는 형상으로 전지팩의 외형이 형성된다.
다음으로, 도 2를 도 1과 함께 참조하면, 베이스 플레이트(110)는 대칭 구조를 이루고 있는 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)가 각각 안착되는 모듈 수납부들(171, 172)을 포함하고 있다.
모듈 수납부들(171, 172)은 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)가 장착된 상태에서, 전지모듈들의 외면을 지지하는 복수개의 엔드 플레이트(180)를 포함하는 구조로 구성된다.
제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)이 위치하지 않은 중심부에는 전지모듈들 방향으로 상향 돌출되어 있는 격벽을 포함하고 있는 구조로 구성되어, 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130) 사이의 이격된 공간에 위치하는 부재들을 지지할 수 있는 구조로 구성되고, 전지팩의 하단으로 잉여 공간을 형성하여 공간을 활용할 수 있다.
또한, 베이스 플레이트(110)에서 모듈 수납부들(171, 172)의 외주변 부위에는 팩 커버(하기 도 6 참조)와 기계적 결합하기 위한 체결부들(190)을 포함하고 있고, 상기 체결부들(190)에 볼트 또는 너트 등의 결합 부재를 통해 베이스 플레이트(110)와 팩 커버가 결합되는 구조로 구성된다.
다음으로, 도 3을 도 1과 함께 참조하면, 베이스 플레이트(110)의 상단에는 총 6개의 전지모듈(121, 122, 123, 131, 132, 133)로 구성되어 있는 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)가 장착된 상태로 고정되어 있다.
상기 구조에서, 베이스 플레이트(110)의 중심부를 기준으로 좌측에 총 3개의 전지모듈들(121, 122, 123)로 구성되어 있는 제 1 전지모듈 어셈블리(120)가 위치하고, 우측에 총 3개의 전지모듈들(131, 132, 133)로 구성되어 있는 제 2 전지모듈 어셈블리(130)이 위치한 구조로 구성되어, 상호 이격된 상태로 배열되고, 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130) 사이의 이격된 공간에는 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 외부 입출력 단자를 포함하는 매뉴얼 서비스 부재(160)가 위치한다.
상기와 같은 구조는, 전지팩(100)의 크기, 형상 및 구조를 보다 다양하게 구성할 수 있으며, 이에 따라, 자동차와 같은 디바이스 내에서, 특히, 차량의 탑승 공간 중에서 후방 좌석들의 하부 공간에 장착되는 구조로 구성되어, 전지팩(100)의 탑재 위치에 대한 제한을 극복할 수 있고, 전지팩(100)의 용량 대비 부피를 최소화할 수 있어, 디바이스의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지모듈의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전지모듈들의 하단에 장착되는 냉각 부재의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 4를 도 3과 함께 참조하면, 베이스 플레이트(110)의 상단에 장착되어 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)를 구성하는 전지모듈(200)은 전지셀들이 동일한 배향을 가지도록 상호 배열되어 있는 구조로 구성되어 있다.
구체적으로, 전지모듈(200)은 도 5에 개시되어 있는 바와 같이, 전지셀들(210)이 지면에 대해 수직 방향으로 인접하게 배열되어 있는 구조로 이루어져 있고, 전지모듈(200)의 하단에 냉각 부재(220)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
냉각 부재(220)는 전지셀들(210) 사이에 개재되는 냉각 핀(230) 및 냉각 핀들(230)의 일측 단부에 열접촉 되어 있고, 냉매의 유동을 위한 중공 구조의 냉매 유로가 구비되어 있으며, 전지모듈(200)의 하단 및 베이스 플레이트(110) 사이에 위치하는 방열 플레이트(240)를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
도 5에는 설명의 편의를 위하여 하나의 전지모듈(220)에 대해서 냉각 부재(240)가 장착되어 있는 구조로 도시되어 있으나, 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130) 하단에 대응하는 구조로 구성될 수 있음은 물론이고, 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130) 각각의 하단에 대응하는 2개의 부재로 구분되고, 냉매 파이프로 연결되어 냉각을 수행하는 구조로 구성될 수 있음은 물론이다.
도 6에는 도 1의 전지모듈들을 내장한 상태로 팩 커버가 결합된 전지팩의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
도 6을 도 1과 함께 참조하면, 팩 커버(300)는 전지모듈들을 내장한 상태로 복수의 체결 부재들(390)에 의해 베이스 플레이트(110)의 외주변과 결합하는 구조로 구성되어 있다.
팩 커버(300)의 상단은, 내부에 위치한 제 1 전지모듈 어셈블리(120) 및 제 2 전지모듈 어셈블리(130)에 대면하는 제 1 커버부(311) 및 BMS(140), BDU(150)가 상단으로 돌출되어 있는 부위에 대면하는 제 2 커버부(312)를 포함하는 구조로 구성되어 있으며, 매뉴얼 서비스 부재(160)에 대응하는 위치에는 개구(320)가 형성되어 있는 구조로서, 매뉴얼 서비스 부재(160)가 개구(320)를 통해 외부로 노출되어 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 팩 커버(300)의 상단에서 돌출되어 있지 않은 제 1 커버부(311)는 차량의 탑승 공간 중에서 후방 좌석에 적용되는 것이 가능하며, 매뉴얼 서비스 부재(160)가 전지모듈들이 위치하지 않은 부위에 형성되어 있어 차량의 후방 좌석들 사이의 암레스트 부위에 돌출될 수 있는 구조로 구성되므로, 공간을 효율적으로 활용할 수 있고, 전기적 연결이 용이한 구조로 구성된다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (22)

  1. 각각 복수의 전지셀들로 구성되어 있는 전지모듈들로서, 적어도 둘 이상의 전지모듈들은 나머지 전지모듈들과 이격된 상태로 대칭 구조를 이루면서 배열되어 있는 전지모듈들; 상기 전지모듈들에 인접하게 장착되어 있고, 전지모듈들의 작동을 모니터링 및 제어하는 BMS(Battery management System); 상기 전지모듈들에 인접하게 장착되어 있고, 전지모듈들의 전기적 연결을 제어하는 BDU(Battery Disconnect Unit); 상기 전지모듈들이 상면에 탑재되고 하단부가 외부 디바이스에 고정되는 구조의 베이스 플레이트(base plate); 및 상기 전지모듈들을 감싸면서 베이스 플레이트의 외주변에 결합되는 구조의 팩 커버(pack cover);를 포함하여 구성되며,
    상기 전지모듈들의 대칭 배열 구조는, 둘 이상의 전지모듈들로 구성되어 있는 제 1 전지모듈 어셈블리와, 둘 이상의 전지모듈들로 구성되어 있는 제 2 전지모듈 어셈블리가, 전지팩이 차량의 탑승 공간 중에서 후방 좌석들의 하부공간에 장착되는 경우, 상기 제1 전지모듈 어셈블리와 제2 전지모듈 어셈블리가 각각 후방 좌석들의 하부공간에 베이스 플레이트의 중심부를 기준으로 차량의 폭방향 양측으로 상호 분리 이격된 상태로 배열되도록 베이스 플레이트 상에 배치되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리들에서 전지모듈들은 각각의 전지셀들이 동일한 배향을 가지도록 상호 배열되어 있고,
    상기 BMS는 제 1 전지모듈 어셈블리의 상단에 차량 후미 방향쪽으로 편향된 위치에 장착되어 있고, 상기 BDU는 제 2 전지모듈 어셈블리의 상단에 차량 후미 방향쪽으로 편향된 위치에 상기 BMS와 평행한 위치에 장착되어 있으며,
    상기 팩 커버는, 상기 전지모듈 어셈블리들에 대면하는 제 1 커버부, BMS 및 BDU가 돌출되어 있는부위에 대면하는 제 2 커버부를 포함하고 있고,
    차량의 탑승 공간 중에서 후방 좌석들의 하부 공간에 장착되는 구조로 구성되어 상기 팩 커버의 상단에서 돌출되어 있지 않은 제1 커버부는 차량의 탑승 공간 중에서 후방 좌석에 적용되며, 상기 후방 좌석들의 형상에 대응하여 상기 제2 커버부는 차량 후미 방향쪽으로 편향된 위치에서 상기 BMS, BDU에 장착되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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  8. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 중심부의 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리의 상호 이격된 공간에는 외부 디바이스와의 전기적 연결을 위한 외부 입출력 단자를 포함하는 매뉴얼 서비스 부재(manual service member)가 위치하여 상기 매뉴얼 서비스 부재는 차량의 탑승 공간중 후방 좌석들 사이의 암레스트의 하부 공간에 위치하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 매뉴얼 서비스 부재는 전지모듈 어셈블리들의 높이에 대해 50% 내지 100%에 대응하는 높이로 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 외부 입출력 단자에 대응하는 위치에서 팩 커버의 부위에는 개구가 형성되어 있고, 상기 외부 입출력 단자는 팩 커버의 개구를 통해 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 전지모듈 어셈블리 및 제 2 전지모듈 어셈블리의 하단에는 냉각부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 냉각 부재는,
    전지셀들 사이에 각각 개재되는 냉각 핀들(cooling fin); 및
    상기 냉각 핀들의 일측 단부들에 열접촉 되어 있고, 냉매의 유동을 위한 중공 구조의 냉매 유로가 구비되어 있으며, 전지모듈 어셈블리들과 베이스 플레이트의 사이에 위치하는 방열 플레이트;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각 부재는 제 1 전지모듈 어셈블리의 하단에 장착되는 제 1 방열 플레이트와 제 2 전지모듈 어셈블리의 하단에 장착되는 제 2 방열 플레이트를 포함하고 있고, 상기 제 1 방열 플레이트와 제 2 방열 플레이트는 냉매 파이프로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 방열 플레이트의 일측에는 냉매 유입구가 형성되어 있고, 상기 냉매 유입구에 대향하는 위치에서 제 2 방열 플레이트의 타측에는 냉매 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 냉각 부재는 전지모듈 어셈블리의 전지모듈과 접촉하는 면에 개재되는 열 전도 패드(thermal pad)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는,
    대칭 구조를 이루는 전지모듈들이 각각 안착되는 둘 이상의 모듈 수납부들;
    상기 모듈 수납부의 측벽에 위치하고, 전지모듈들의 적어도 일부 측면을 지지하는 둘 이상의 엔드 플레이트들(end plate);
    전지모듈들이 위치하지 않은 중심부 상에서 전지모듈들 방향으로 상향 돌출되어 있는 격벽; 및
    팩 커버와 기계적 결합하기 위하여 외주변 부위에 형성되어 있는 체결부들;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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  18. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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