KR102330378B1 - 디개싱 유로를 구비한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 내부 공간에 셀 모듈 어셈블리를 수납하고 일측에 개구부를 구비한 팩 케이스와, 상기 내부 공간과 연통하는 디개싱 포트를 구비하고 상기 팩 케이스의 개구부를 커버하는 팩 커버를 포함하는 배터리 팩으로서,
상기 셀 모듈 어셈블리는, 이차전지 셀들로 구성된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 상부와 하부에 각각 배치되고 상기 팩 케이스의 상벽 및 하벽에 각각 대면하여 밀착되는 상판 및 하판을 구비하는 셀 고정용 프레임을 포함하며, 상기 상판 및 하판 중 적어도 어느 하나는, 대응하는 상기 팩 케이스의 상벽 또는 하벽에 대면 배치되는 일면의 적어도 일 영역이 상기 디개싱 포트를 향해 미리 지정된 경로를 따라 오목하게 함입되어 형성된 적어도 하나의 가스 이동루트와; 상기 가스 이동루트에서 상하로 관통되어 형성된 적어도 하나의 통공을 구비하고, 상기 적어도 하나의 통공은, 상기 셀 적층체의 적어도 일측에서 스며나온 가스가 포집되는 공간인 가스 포켓부의 연직 상부 또는 연직 하부에 형성될 수 있다.

Description

디개싱 유로를 구비한 배터리 팩{Battery Pack with degassing flow path}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 셀들에서 발생하는 가스를 외부로 원활하게 배출시킬 수 있는 가스 유로가 적용된 배터리 팩에 관한 것이다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 이차전지 셀(cell)들을 포함하고 있다. 상기 이차전지 셀들은 각각 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충,방전이 가능하다.
이차전지 셀은 일반적으로 그 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다. 파우치형 이차전지는 캔형 이차전지에 비해 가볍고 전해액의 누액(leakage) 가능성이 적으며, 형태에 융통성을 가질 수 있어 더 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차전지를 구현할 수 있는 장점이 있어 최근 전기 차량의 배터리 팩의 이차전지 셀로 선호되고 있다.
파우치형 이차 전지는 전기 화학적 반응에 의해 충전 또는 방전이 이루어지는데, 이러한 충방전 과정에서 수반되는 열이 효과적으로 제거되지 못하면 이차 전지 내부 온도가 급속하게 상승할 수 있다. 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 이차전지 내부에 가스를 생성한다.
한편, 전기 차량의 경우 이차 전지로부터 스며 나온 가스가 배터리 팩의 내부 공간에 채워지면 배터리 팩의 내부 공간의 압력이 증가하게 된다. 배터리 팩의 내부 압력이 급격히 증가하게 되면 팩 케이스가 변형될 수 있고 다른 이차 전지들의 정상 동작을 방해할 수 있기 때문에 상기 가스는 배터리 팩의 외부로 빠르게 배출되어야 한다. 이를 위해 종래 배터리 팩는, 한국공개특허 제 10-2016-0112768호에 개시되어 있는 바와 같이, 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스 배출구를 갖추고 있다.
그런데 최근 전기 차량용 배터리 팩을 생산하는 업계는 팩 케이스를 슬림(slim)화하고, 이러한 팩 케이스에 이차전지 셀들을 매우 집약적으로 수납하여 에너지 밀도가 극대화되게 배터리 팩을 제작하고 있다.
이와 같이 컴팩트한 배터리 팩은 구조상, 가스가 팩 케이스의 가스 배출구로부터 먼 곳에서 발생할 경우, 상기 가스 배출구까지의 가스 이동 경로가 막혀있거나 매우 협소하다. 이 경우, 가스가 신속하게 외부로 배출되지 못하기 때문에 배터리 팩의 내압 상승으로 안정성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 에너지 밀도를 극대화할 수 있으면서도, 신속한 가스 배출이 가능한 방안이 필요하다.
한국공개특허 제 10-2016-0112768호(2016.09.28) 주식회사 엘지화학
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이차전지 셀들이 집약적으로 수납되어 있어 에너지 밀도가 높으며, 의도된 경로를 따라 가스를 신속하게 배출시킬 수 있는 유로가 적용되어 있어 안전성이 확보된 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 내부 공간에 셀 모듈 어셈블리를 수납하고 일측에 개구부를 구비한 팩 케이스와, 상기 내부 공간과 연통하는 디개싱 포트를 구비하고 상기 팩 케이스의 개구부를 커버하는 팩 커버를 포함하는 배터리 팩으로서,
상기 셀 모듈 어셈블리는, 이차전지 셀들로 구성된 셀 적층체; 및 상기 셀 적층체의 상부와 하부에 각각 배치되고 상기 팩 케이스의 상벽 및 하벽에 각각 대면하여 밀착되는 상판 및 하판을 구비하는 셀 고정용 프레임을 포함하며, 상기 상판 및 하판 중 적어도 어느 하나는, 대응하는 상기 팩 케이스의 상벽 또는 하벽에 대면 배치되는 일면의 적어도 일 영역이 상기 디개싱 포트를 향해 미리 지정된 경로를 따라 오목하게 함입되어 형성된 적어도 하나의 가스 이동루트와; 상기 가스 이동루트에서 상하로 관통되어 형성된 적어도 하나의 통공을 구비하고, 상기 적어도 하나의 통공은, 상기 셀 적층체의 적어도 일측에서 스며나온 가스가 포집되는 공간인 가스 포켓부의 연직 상부 또는 연직 하부에 형성된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 이차전지 셀은, 파우치형 이차전지 셀이며, 상기 가스 포켓부는, 상기 디개싱 포트에서 가장 멀리 배치되는 상기 이차전지 셀들의 테라스 부분이 층상 배열된 영역에 구비될 수 있다.
상기 적어도 하나의 가스 이동루트는, 대응하는 상기 통공들로로부터 상기 팩 커버를 향해 직선 경로를 가질 수 있다.
상기 셀 적층체의 양쪽 측면부와 상기 팩 케이스의 양쪽 측벽 사이 공간에 개재되어 상기 셀 적층체를 상기 팩 케이스에 대해 고정시키는 접착용 레진을 더 포함할 수 있다.
상기 셀 고정용 프레임은, 상기 셀 적층체의 양쪽 측면부에 수직으로 배치되고 판면이 요철 구조로 형성되어 상기 이차전지 셀들의 사이드 윙 부분이 배치되는 셀 가이드를 더 구비하며, 상기 팩 케이스의 양쪽 측벽과 상기 셀 가이드는, 미리 지정된 위치마다 상기 접착용 레진이 내외로 통과하는 적어도 하나의 레진홀을 구비할 수 있다.
상기 셀 고정용 프레임은, 상기 상판과 상기 하판의 후단부를 수직으로 결합되는 수직판을 더 구비할 수 있다.
상기 이차전지 셀들의 전극 리드들이 위치한 상기 셀 적층체의 적어도 일측에 배치되어 상기 전극 리드들과 전기적으로 연결되는 다수의 버스바들; 및 사각 틀 형상으로 안쪽 영역에 상기 다수의 버스바들이 설치되고, 상기 셀 고정용 프레임의 단부에 착탈 결합되게 마련된 버스바 조립체를 더 포함할 수 있다.
상기 팩 커버는, 내측면 중심부가 전장품 형상에 대응되게 바깥쪽으로 볼록하게 돌출 형성됨으로써 안쪽 면에 전장품을 수용할 수 있는 전장품 장착부가 마련될 수 있다.
상기 팩 커버와 상기 셀 모듈 어셈블리 사이에서, 상기 팩 커버 및 상기 셀 모듈 어셈블리와 착탈 결합 가능하게 마련되는 BMS 조립체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 팩 케이스 내부 공간에 이차전지 셀들을 집약적으로 수납하여 에너지 밀도를 증대시킬 수 있으며, 이차전지 셀들에서 발생된 가스를 의도된 경로를 따라 신속하게 배터리 팩 외부로 배출시킬 수 있어 배터리 팩의 내압 상승을 방지하여 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 셀 고정용 프레임을 사용하여 이차전지 셀들을 일체로 고정하고, 가스 이동루트를 확보함으로써 배터리 팩의 부피를 최소화시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 팩 케이스를 분리한 사시도이다.
도 3은 도 1의 팩 커버의 내측 부분을 바라본 사시도이다.
도 4는 도 3의 팩 커버에 BMS 조립체를 결합한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스의 내부 공간에 셀 모듈 어셈블리가 수납된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 가스 포켓부 영역의 확대도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 배출 경로를 설명하기 위한 배터리 팩의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 팩 케이스를 분리한 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 팩 케이스(100), 팩 커버(200) 그리고 셀 모듈 어셈블리(300)를 포함한다.
팩 케이스(100)는 셀 모듈 어셈블리(300)를 내부 공간에 수납하여 이들을 보호하는 구성요소로서, 셀 모듈 어셈블리(300)에 기계적 지지력을 제공하고, 외부 충격등으로부터 셀 모듈 어셈블리(300)를 보호한다. 이러한 팩 케이스(100)는 강성이 충분히 확보될 수 있어야 하므로 스틸(steel)과 같은 금속 또는 금속 합금으로 제작하는 것이 바람직할 수 있다.
본 실시예에 따른 팩 케이스(100)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 일측에 개구부(140)를 갖는 대략 직육면체 박스 형상으로 제공될 수 있다. 셀 모듈 어셈블리(300)는 상기 개구부(140)를 통해 팩 케이스(100)의 내부 공간에 삽입 배치될 수 있다. 또한, 팩 케이스(100)는 양쪽 측벽(130)의 미리 지정된 위치마다 적어도 하나의 레진홀(H)을 구비한다. 셀 모듈 어셈블리(300)가 팩 케이스(100) 내부 공간에 삽입 배치되면, 상기 레진홀(H)을 통해 접착용 레진(resin)을 팩 케이스(100) 내부에 주입하여 상기 셀 모듈 어셈블리(300)를 팩 케이스(100)의 양쪽 측벽(130)에 고정시킬 수 있다.
즉, 상기 접착용 레진은, 도면의 편의상 도시하지 않았으나, 셀 적층체(310)의 양쪽 측면부와 팩 케이스(100)의 양쪽 측벽(130) 사이 공간에 충진될 수 있다. 이러한 접착용 레진은 셀 모듈 어셈블리(300)를 고정시킬 뿐만 아니라 이차전지 셀(311)들과 팩 케이스(100) 간의 열교환 매체로도 사용될 수 있다.
팩 케이스(100)는 모노 프레임과 리어 커버로 구성될 수 있다. 모노 프레임은 상벽(110)과 하벽(120)의 두께가 서로 같고, 양쪽 측벽(130)들의 두께가 서로 같으며 속이 빈 사각 관 형태로 제작된 구조체라 할 수 있다. 모노 프레임의 개구부 중 하나는 판상형의 리어 커버로 차폐될 수 있다. 물론 팩 케이스(100)는 모노 프레임과 리어 커버가 일체로 형성되게 제작할 수도 있다.
팩 커버(200)는 디개싱 포트(210)를 구비하고 팩 케이스(100)의 개구부를 커버하도록 팩 케이스(100)에 장착될 수 있다. 디개싱 포트(210)는 배터리 팩(10) 내부에서 발생된 가스를 외부로 배출하기 위한 수단으로서 팩 케이스(100)의 내부 공간과 연통되게 마련된다.
또한, 팩 커버(200)는 외측에 양극 터미널 단자와 음극 터미널 단자를 구비하고, 내측에 유사시 고전류의 흐름을 차단하기 위한 장치인 BDU(230,Battery Disconnect Unit) 등의 전장품들이 조립될 수 있는 공간인 전장품 장착부(220)를 구비할 수 있다.
이를테면, 도 3 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 전장품 장착부(220)는 팩 커버(200)의 중심부가 바깥쪽으로 볼록하게 돌출 형성됨으로써 안쪽 면에 형성될 수 있다. 상기 전장품 장착부(220)는 해당 위치에 장착될 전장품 형상에 형상 맞춤되게 형성될 수 있다.
또한, 팩 커버(200)에는, 도 4와 같이, BMS 조립체(400)가 더 결합될 수 있다. BMS 조립체(400)는 BMS가 칩과 전류 센서(410, 션트 저항)등이 마운팅되어 있는 BMS 회로기판과 상기 BMS 회로기판을 지지하는 BMS 하우징으로 구성될 수 있으며, 상기 BMS 하우징이 팩 커버(200)의 내측편 둘레를 따라 스냅-핏(snap-fit) 방식으로 착탈 가능하게 조립되어 팩 커버(200)에 일체로 고정 결합될 수 있다.
BMS 조립체(400)는 이와 같이 팩 커버(200)에 고정된 상태로 다시 셀 모듈 어셈블리(300)의 전단부(전극 리드(311a) 방향)에 전기적 및 구조적으로 연결되게 조립될 수 있다. 팩 커버(200)의 양극 및 음극 터미널 그리고 BMS 조립체의 BMS 회로기판과 셀 모듈 어셈블리(300)의 이차전지 셀(311)들은 상호 간 버스바, 케이블, 커넥터 등의 부품 등으로 전기적으로 연결될 수 있으며, 이는 당업자에게 자명한 사항이라 할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 셀 모듈 어셈블리(300)는 셀 적층체(310), 버스바 조립체(320), 셀 고정용 프레임(330)을 포함하여 구성되고, 도 5에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(100)의 내부 공간에 타이트(tight)하게 삽입 배치될 수 있다. 즉, 셀 모듈 어셈블리(300)의 폭과 높이는 팩 케이스(100)의 내부 공간의 폭과 높이와 거의 일치한다.
셀 모듈 어셈블리(300)의 주요 구성요소인 셀 적층체(310)는 적층 배열된 이차전지 셀(311)들의 집합체라 할 수 있다. 여기서 이차전지 셀(311)은 파우치형 이차전지이다. 각각의 파우치형 이차 전지는 전극 조립체와 전극 조립체를 수용하는 파우치 외장재, 그리고 전극 조립체와 연결되고 파우치 외장재 외부로 일부가 돌출된 전극 리드(311a)를 포함한다.
파우치 외장재는 상부 파우치와 하부 파우치로 구성되며, 상부 파우치와 하부 파우치는 테두리가 서로 접착됨으로써 전극 조립체가 내부 공간에 수용된다. 이와 같이 실링된 파우치 외장재의 테두리를 테라스(312)라 정의하기로 한다. 전극 조립체의 형태에 따라 파우치형 이차전지의 형상이 다양하게 결정될 수 있겠으나, 일반적으로 파우치형 이차전지는 대략 직사각 형상으로 제조될 수 있다.
이러한 파우치형 이차전지의 테라스(312)는 그 위치에 따라 단변측 테라스(312)와 장변측 테라스(312)로 구분될 수 있다. 특히, 장변측 테라스(312)는 파우치형 이차전지의 측면에 해당하는 부분으로 사이드 윙이라 지칭되기도 한다.
버스바 조립체(320)는 다수의 버스바(321)와, 각 버스바(321)와 연결되는 인쇄회로기판(322), 그리고 이들을 지지하는 버스바 하우징(323)을 포함한다.
다수의 버스바(321)는 금속 막대 형상으로 표면에 이차전지 셀(311)들의 전극 리드(311a)가 부착될 수 있다. 즉, 이차전지 셀(311)들의 전극 리드(311a)들은 예컨대, 대응하는 버스바(321)에 단부가 용접되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 다수의 버스바(321)들은 인쇄회로기판(322)에 일단이 접속될 수 있다. 인쇄회로기판(322)은 이러한 각 버스바(321)를 통해 이차전지 셀(311)들의 전압 특성을 센싱하고 케이블 커넥터로 연결되어 있는 BMS에 전압 정보를 전달하는데 사용된다.
버스바 하우징(323)은 상기 다수의 버스바(321)와 인쇄회로기판(322)이 장착될 수 있는 장소를 제공하는 프레임 역할을 하는 구성이다.
본 실시예의 버스바 하우징(323)은 사각 틀 형상으로 안쪽 영역에 상기 다수의 버스바들과 인쇄회로기판(322)가 설치되고, 둘레 부분이 셀 고정용 프레임(330)의 전단부에 착탈 가능하게 끼워져 결합되게 마련된다. 이러한 버스바 하우징(323)의 측면부에는 착탈 결합 수단으로서 후크 걸림공들이 구비될 수 있다. 물론, 본 실시예와 달리, 셀 고정용 프레임(330)에 후크 걸림공을 마련하고 버스바 하우징(323)의 측면부에 후크를 마련하는 것도 얼마든지 가능하다.
셀 고정용 프레임(330)은 이차전지 셀(311)들의 적층 방향에 대하여 상기 셀 적층체(310)의 상부 및 하부에 각각 배치되어 상기 셀 적층체(310)를 상부 및 하부를 각각 지지하는 상판(331)과 하판(332) 그리고 상판(331)과 하판(332)의 후단부를 수직으로 연결하는 수직판(333)을 포함할 수 있다. 여기서 상판(331)과 하판(332)의 후단부는, 팩 케이스(100)의 개구부(140) 반대편 방향에 위치한 상판(331)과 하판(332)의 단부를 의미한다.
셀 고정용 프레임(330)의 상판(331)과 하판(332)은, 도 5와 같이 셀 모듈 어셈블리(300)를 팩 케이스(100)의 내부 공간에 삽입하였을 때, 팩 케이스(100)의 상벽(110) 및 하벽(120)에 각각 대면하여 밀착된다. 즉, 상판(331)과 하판(332) 그리고 셀 적층체(310)를 포함한 높이는 팩 케이스(100)의 내부 공간에 대응하는 치수로 미리 결정될 수 있다.
또한, 셀 고정용 프레임(330)은, 셀 적층체(310)의 양쪽 측면부에 수직으로 배치되고 판면이 요철 구조로 형성되는 셀 가이드(334)를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 가이드(334)에 의해, 이차전지 셀(311)들은 슬라이드 방식으로 상하가 고정된 상태로 상기 상판(331), 하판(332), 수직판(333), 그리고 셀 가이드(334)로 둘러싸인 공간에 하나씩 삽입 배치될 수 있다. 다시 말하면, 셀 적층체(310)는 이차전지 셀(311)들을 상기 셀 고정용 프레임(330) 속에 하나씩 슬라이드 방식으로 집어넣는 방식으로 형성될 수 있다. 이 경우, 이차전지 셀(311)들의 양쪽 사이드 부분이 셀 가이드(334)에 의해 가이드되기 때문에 정해진 위치에 바르게 적층될 수 있다.
상기 셀 가이드(334)는 미리 지정된 위치마다 상기 접착용 레진이 내외로 통과하는 적어도 하나의 레진홀(H)을 더 구비할 수 있다. 전술한 바와 같이, 팩 케이스(100)의 양쪽 측벽(130)의 레진홀(H)들을 통해 접착용 레진이 팩 케이스(100) 내부로 주입될 수 있다. 이때 팩 케이스(100) 내부로 주입된 접착용 레진의 일부는 셀 가이드(334)와 팩 케이스(100)의 측벽(130) 사이에 스며들 수 있고, 나머지 일부는 상기 셀 가이드(334)의 레진홀(H)을 통해 이차전지 셀(311)들과 셀 가이드(334) 사이 공간에 스며들 수 있다. 따라서 이차전지 셀(311)들과 셀 가이드(334) 그리고 팩 케이스(100)의 측벽(130)은 접착용 레진(미도시)에 의해 상호 고정 결합될 수 있다.
상기 셀 가이드(334)는 알루미늄, 또는 알루미늄 합금 등의 열전도성이 우수한 재질로 마련될 수 있다. 이 경우, 충방전 과정에 동반되는 이차전지 셀(311)들의 열이 셀 가이드(334) 및 접착용 레진을 통해 외부로 빠르게 방출될 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 셀 적층체(310)가 셀 고정용 프레임(330)의 상판(331)과 하판(332)에 의해 압박되고 접착용 레진에 의해 양쪽 측면부가 고정될 수 있어, 진동이나 외부 충격시에도 이차전지 셀(311)들의 전기적 연결 신뢰성이 확보될 수 있다. 또한, 셀 적층체(310)를 고정시키기 위한 부품 수가 절감되어 에너지 밀도 및 조립성이 향상될 수 있다.
한편, 이차전지 셀(311)은 충방전시 전해액 분해 반응으로 이차전지 셀(311) 내부에서 가스가 생성되어 스웰링 현상이 심해지면, 내압 상승으로 인해 테라스(312) 부분의 실링성이 약해지면 가스가 외부로 스며나올 수 있다.
본 실시예의 경우, 이차전지 셀(311)들의 양쪽 측면과 팩 케이스(100)의 양쪽 측벽(130) 사이가 접착용 레진으로 채워져 있어 이차전지 셀(311)들의 양쪽 측면으로 가스가 새어나오기는 어렵지만, 접착용 레진이 충진되어 있지 않은 이차전지 셀(311)들의 단변측 테라스(312) 부분들을 통해 가스가 새어 나올 수 있다.
이러한 가스를 배터리 팩(10) 내에 의도된 경로 신속하게 외부로 배출시키기 위해 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 셀 고정용 프레임(330)의 상판(331)과 하판(332)에 구비되는 가스 이동루트(335)와 통공(336)을 포함한다.
이를테면, 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 셀 고정용 프레임(330)의 상판(331) 및 하판(332) 중 적어도 어느 하나는, 대응하는 상기 팩 케이스(100)의 상벽(110) 또는 하벽(120)에 대면 배치되는 일면의 적어도 일 영역이 상기 디개싱 포트(210)를 향해 미리 지정된 경로를 따라 표면이 오목하게 함입되어 형성된 적어도 하나의 가스 이동루트(335)와, 상기 가스 이동루트(335) 상에서 판면이 상하로 관통되어 형성된 적어도 하나의 통공(336)을 구비한다.
전술한 바와 같이, 셀 모듈 어셈블리(300)를 팩 케이스(100)의 내부 공간에 삽입하면, 예컨대 셀 고정용 프레임(330)의 상판(331)이 팩 케이스(100)의 상벽(110)에 대면하여 밀착됨으로써 팩 케이스(100)의 상벽(110)으로 커버된 가스 이동루트(335) 부분은 가스의 흐름이 유도될 수 있는 통로가 될 수 있다.
셀 적층체(310)에서 발생한 가스는 상기 셀 고정용 프레임의 상판(331)과 하판(332)에 형성된 적어도 하나의 통공(336)을 통해 상기 가스 이동루트(335)로 유도되어 디개싱 포트(210) 방향으로 흐를 수 있다.
파우치형 이차전지 셀의 경우, 일반적으로 테두리 부분이 실링 처리된 사각 판상형으로 테두리 부분에서 가스가 스며나온다. 이를 참작하여 본 실시예의 적어도 하나의 통공(336)은 셀 적층체(310)에서 가스가 스며나올 수 있는 위치와 가장 가까운 곳에 위치하도록 상기 상판(331)과 하판(332)의 코너 영역에 마련된다.
여기서 상기 상판(331)과 하판(332)의 코너 영역은 셀 적층체(310)의 가장자리 영역에 대응하는 영역으로 특정될 수 있으며, 이 경우 상기 적어도 하나의 통공(336)은 층상 배열된 이차전지 셀(311)들의 단변측 테라스(312) 부분들의 연직 상부 또는 연직 하부에 위치하게 된다.
상기 이차전지 셀(311)들의 단변측 테라스(312) 부분은 두께가 다른 부분보다 얇아 그 상/하부에 빈 공간이 많이 존재한다. 따라서 이차전지 셀(311)들 내부에서 발생한 가스는 이차전지 셀(311)들의 테라스(312)에서 스며나와 상기 빈 공간에 포집될 수 있다. 이와 같이, 셀 적층체(310)를 형성하는 이차전지 셀(311)들의 적어도 일측에서 스며나온 가스가 포집되는 상기와 같은 빈 공간을 가스 포켓부(337)라 특정하기로 한다.
종래 기술은 이차전지 셀(311)에서 전극 리드(311a)가 없는 테라스(312) 부분을 폴딩시켜 사이즈를 축소하는 것이 일반적이나, 본 발명은 이차전지 셀(311)들의 단변측 테라스(312) 부분을 폴딩시키지 않고 남겨둠으로써 셀 고정용 프레임의 상판(331)과 하판(332) 그리고 수직판(333) 사이에 가스 포켓부(337)를 마련하고 이를 상하 방향으로 가스가 유동할 수 있는 공간으로 활용한다.
이러한 본 실시예에 따른 가스 포켓부(337)는, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 디개싱 포트(210)에서 가장 멀리 위치한 이차전지 셀들의 테라스(312) 부분이 층상 배열된 곳에 마련될 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 적어도 하나의 통공(336)은 복수 개가 마련되며, 상기 가스 포켓부(337)에 대응하는 상판(331)과 하판(332)의 코너 영역에 하나씩 위치할 수 있다. 다시 말하면, 상기 통공(336)들은 상판(331)에 2개, 하판(332)에 2개로 총 4개가 마련된다.
그리고 적어도 하나의 가스 이동루트(335)는, 대응하는 상기 통공(336)들로부터 상판(331) 및 하판(332)의 길이 방향을 따라 디개싱 포트(210)가 있는 팩 커버(200)를 향해 직선 경로를 가지며, 상판(331)과 하판(332)의 양쪽 사이드에 각각 하나씩 총 4개가 마련된다.
이와 같이, 가스 이동루트(335)를 상판(331)과 하판(332)의 양쪽 사이드 쪽에 마련하여 가스의 흐름을 양쪽 사이드로 유도시킴으로써 팩 커버(200) 쪽의 구조물(예컨대 버스바 조립체(320) 또는 BMS 조립체(400))과의 간섭을 회피할 수 있다.
부연하면, BMS 조립체(400)나 버스바 조립체(320)는 가운데 영역에 버스바(321), 인쇄회로기판(322) 등이 가스의 흐름에 방해되는 부품들이 집중되어 있는 반면, 양쪽 측면 부분은 상호 간 스냅-핏 조립을 위한 형상 맞춤 부분으로 가스가 통과할 수 있는 틈새가 가운데 부분보다 더 많이 존재한다. 따라서 가스 이동루트(335)를 양쪽 사이드 쪽에 두는 것이 가스 흐름에 유리할 수 있다.
또한, 셀 고정용 프레임(330)의 상판(331)과 하판(332)에 직접 스냅-핏 체결되는 버스바 하우징(323)은, 도 5를 참조하면, 양쪽 사이드 부분이 중심부에 비해 낮게 단차진 형상을 취할 수 있다. 상기 단차진 사이드 부분은 상기 가스 이동루트(335)와 직접적으로 연통될 수 있다.
도 6과 도 7을 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 가스 배출 경로를 간략하게 정리하면 다음과 같다.
이차전지 셀(311)들의 양쪽 사이드 윙(장변측 테라스(312)) 부분은 셀 가이드(334) 및 팩 케이스(100)의 측벽(130)을 마주보고 있고 이들 사이 공간은 접착용 레진(미도시)으로 채워져 있어 가스가 스며나오거나 이동하지 못한다. 반면, 이차전지 셀(311)들의 양쪽 사이드 윙 부분을 제외한 단변측 테라스(312) 2곳에서는 주변이 막혀있지 않으므로 이차전지 셀(311) 외부로 가스가 스며나올 수 있다.
먼저, 전극 리드(311a)가 위치한 이차전지 셀(311)들의 단변측 테라스(312) 부분에서 스며 나온 가스는 디개싱 포트(210)에 인접해 있고 전방이 완전히 막혀 있는 구조가 아니기 때문에 신속하게 디개싱 포트(210)를 통해 배터리 팩(10) 외부로 배출될 수 있다.
그 다음, 이차전지 셀(311)들의 (디개싱 포트(210)에서 가장 먼) 또 다른 단변측 테라스(312) 부분에서 스며 나온 가스는 가스 포켓부(327)에 포집되고, 상기 가스 포켓부(327)의 상부와 하부에 위치한 통공(336)들을 통해 셀 고정용 프레임의 상판과 하판의 가스 이동루트로 확산될 수 있다. 그리고 도 7의 화살표로 표시한 가스 흐름선과 같이, 가스의 흐름이 팩 커버(200) 방향으로 유도되어 디개싱 포트(210)를 통해 배터리 팩(10) 외부로 배출될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 구성에 따르면, 팩 케이스(100) 내부 공간에 이차전지 셀(311)들이 집약적으로 수납되기 때문에 배터리 팩(10)의 에너지 밀도가 매우 높고, 이차전지 셀(311)들에서 가스가 발생하더라도 상기 가스가 의도된 경로를 따라 신속하게 배터리 팩(10) 외부로 배출될 수 있어 배터리 팩(10)의 내압 상승으로 인한 폭발 위험을 방지할 수 있다.
참고로, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 단방향 파우치형 이차전지 셀(311)들을 사용하여 구성한 배터리 팩(10)이나, 본 발명의 권리범위가 단방향 파우치형 이차전지 셀(311)들을 적용한 배터리 팩(10)에 한정되어야 하는 것은 아니다. 즉, 양극 리드와 음극 리드가 서로 반대 방향에 위치하는 양방향 파우치형 이차전지 셀(311)들로 구성된 배터리 팩이라도 디개싱 포트(210)에서 가장 먼 곳에 위치한 이차전지 셀(311)들의 테라스(312) 부분에서 발생하는 가스는 본 실시예와 같이 셀 고정용 프레임(330)의 상판(331)과 하판(332)의 가스 이동루트(335)와 통공(336)에 의해 가스의 흐름이 디개싱 포트(210)로 유도될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 배터리 팩은 파우치형 이차전지 셀들을 사용한 것이나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되어야 하는 것은 아니다. 파우치형 이차전지 셀의 대안으로 각형 또는 원통형 이차전지 셀들이 적용될 수도 있다. 예컨대, 각형 또는 원통형 이차전지 셀들은 1단 또는 2단 이상으로 적층체를 형성할 수 있다. 셀 고정용 프레임의 상판(331)과 하판(332)은 상기 각형 또는 원통형 이차전지 셀들로 구성된 셀 적층체의 상부와 하부를 각각 지지하도록 상기 셀 적층체의 상부 및 하부에 각각 배치되고 팩 케이스(100)의 상벽(110) 및 하벽(120)에 밀착되게 팩 케이스(100)에 삽입될 수 있다. 이 경우, 각형 또는 원통형 이차전지 셀들을 사용한 배터리 팩이라도, 전술한 실시예와 같이, 셀 고정용 프레임의 상판(331)/하판(332) 및 팩 케이스의 상벽(110)/하벽(120)에 맞닿는 영역에 가스 배출로가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 배터리 팩 100: 팩 케이스
200: 팩 커버 210: 디개싱 포트
220: 전장품 장착부 300: 셀 모듈 어셈블리
310: 셀 적층체 311: 이차전지 셀
320: 버스바 조립체 321: 버스바
322: 인쇄회로기판 323: 버스바 하우징
330: 셀 고정용 프레임 331: 상판
332: 하판 333: 수직판
334: 셀 가이드 335: 가스 이동루트
336: 통공 337: 가스 포켓부
H: 레진홀

Claims (10)

  1. 내부 공간에 셀 모듈 어셈블리를 수납하고 일측에 개구부를 구비한 팩 케이스와, 상기 내부 공간과 연통하는 디개싱 포트를 구비하고 상기 팩 케이스의 개구부를 커버하는 팩 커버를 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 셀 모듈 어셈블리는,
    이차전지 셀들로 구성된 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체의 상부와 하부에 각각 배치되고 상기 팩 케이스의 상벽 및 하벽에 각각 대면하여 밀착되는 상판 및 하판을 구비하는 셀 고정용 프레임을 포함하며,
    상기 셀 고정용 프레임의 상기 상판 및 하판 중 적어도 어느 하나는,
    대응하는 상기 팩 케이스의 상벽 또는 하벽에 대면 배치되는 일면의 적어도 일 영역이 상기 디개싱 포트를 향해 미리 지정된 경로를 따라 오목하게 함입되어 형성된 적어도 하나의 가스 이동루트와; 상기 가스 이동루트에서 상하로 관통되어 형성된 적어도 하나의 통공을 구비하고,
    상기 적어도 하나의 통공은, 상기 팩 케이스에서 상기 개구부의 반대편 방향에 위치하고 상기 셀 적층체의 적어도 일측에서 스며나온 가스가 포집되는 가스 포켓부의 연직 상부 또는 연직 하부에 구비되고,
    상기 가스 포켓부는 상기 개구부의 반대편 방향에 위치하고 서로 마주하는 상기 상판의 단부와 상기 하판의 단부 사이 공간인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지 셀은, 파우치형 이차전지 셀이며,
    상기 가스 포켓부는, 상기 디개싱 포트에서 가장 멀리 배치되는 상기 이차전지 셀들의 테라스 부분이 층상 배열된 영역에 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 이동루트는, 대응하는 상기 통공들로로부터 상기 팩 커버를 향해 직선 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 셀 적층체의 양쪽 측면부와 상기 팩 케이스의 양쪽 측벽 사이 공간에 개재되어 상기 셀 적층체를 상기 팩 케이스에 대해 고정시키는 접착용 레진을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀 고정용 프레임은,
    상기 셀 적층체의 양쪽 측면부에 수직으로 배치되고 판면이 요철 구조로 형성되어 상기 이차전지 셀들의 사이드 윙 부분이 배치되는 셀 가이드를 더 구비하며,
    상기 팩 케이스의 양쪽 측벽과 상기 셀 가이드는, 미리 지정된 위치마다 상기 접착용 레진이 내외로 통과하는 적어도 하나의 레진홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 고정용 프레임은,
    상기 상판과 상기 하판의 후단부를 수직으로 결합되는 수직판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 이차전지 셀들의 전극 리드들이 위치한 상기 셀 적층체의 적어도 일측에 배치되어 상기 전극 리드들과 전기적으로 연결되는 다수의 버스바들; 및
    사각 틀 형상으로 안쪽 영역에 상기 다수의 버스바들이 설치되고, 상기 셀 고정용 프레임의 단부에 착탈 결합되게 마련된 버스바 하우징을 구비하는 버스바 조립체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 팩 커버는, 내측면 중심부가 전장품 형상에 대응되게 바깥쪽으로 볼록하게 돌출 형성됨으로써 안쪽 면에 전장품을 수용할 수 있는 전장품 장착부가 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 팩 커버와 상기 셀 모듈 어셈블리 사이에서, 상기 팩 커버 및 상기 셀 모듈 어셈블리와 착탈 결합 가능하게 마련되는 BMS 조립체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
KR1020180046302A 2018-04-20 2018-04-20 디개싱 유로를 구비한 배터리 팩 KR102330378B1 (ko)

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