KR102676208B1 - 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 한 쌍의 베이스 플레이트와, 상기 한 쌍의 베이스 플레이트 사이에 개재되어 양측으로 각 베이스 플레이트에 대해 길이방향으로 각각 연결되는 센터 프레임과, 상기 베이스 플레이트의 외측면에 대해 길이방향으로 각각 연결되는 한 쌍의 사이드 프레임 및 상기 센터 프레임과 사이드 프레임 사이의 팩 공간을 따라 베이스 플레이트 위에 안착되는 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임을 구비하고, 상기 모듈 프레임이 상기 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향으로 배치되도록 상기 팩 공간에 수용되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}

본 발명은 팩 내부의 공간 활용률을 향상하고, 모듈과 팩의 구조를 단순화하여 원가를 절감할 수 있으며, 다양한 사양으로 손쉽게 변경 또는 확장할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.

이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.

이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.

이차전지는 배터리 팩의 형태로서 복수의 배터리 셀이 집단을 이룰 수 있다. 배터리 팩은 에너지 밀도를 높여 고에너지를 요구하는 장치, 예를 들어 전기 자동차 등에 탑재될 수 있다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 규정된 전력을 출력하고, 작동 중 온도가 상승하는 배터리 셀을 냉각하며, 발화 등의 비상상황에 대응하는 각종 안전장치를 구비한다.

배터리 팩은 단위 체적당 에너지 밀도를 높이는 것이 하나의 중요한 과제인데, 이는 결국 배터리 팩 내부의 공간을 얼마나 효율적으로 활용할 수 있는지가 관건이라 할 수 있다. 즉, 동일한 팩 공간에 더 많은 배터리 셀을 탑재할 수 있도록 하는 것이 필요하며, 배터리 팩의 구조를 가능한 단순하게 만드는 것이 하나의 방안이 된다.

또한, 배터리 팩의 생산 원가를 절감한다는 측면에서도 배터리 팩의 구조를 단순화하는 것이 유리하며, 나아가 다양한 사이즈의 배터리 팩으로 쉽게 변경할 수 있는 구조 설계가 이루어질 필요도 있다.

한국공개특허 제2021-0133788호 (2021.11.08 공개)

본 발명은 팩 내부의 공간 활용률을 향상하고, 모듈과 팩의 구조를 단순화하여 원가를 절감할 수 있으며, 다양한 사양으로 손쉽게 변경 또는 확장할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 한 쌍의 베이스 플레이트와, 상기 한 쌍의 베이스 플레이트 사이에 개재되어 양측으로 각 베이스 플레이트에 대해 길이방향으로 각각 연결되는 센터 프레임과, 상기 베이스 플레이트의 외측면에 대해 길이방향으로 각각 연결되는 한 쌍의 사이드 프레임 및 상기 센터 프레임과 사이드 프레임 사이의 팩 공간을 따라 베이스 플레이트 위에 안착되는 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임을 구비하고, 상기 모듈 프레임이 상기 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향으로 배치되도록 상기 팩 공간에 수용되는 것을 특징으로 한다.

상기 한 쌍의 모듈 프레임은, 배터리 셀의 두께 방향을 따라 일렬로 정렬된 상기 복수의 배터리 셀의 양단에 배치된다.

그리고, 상기 모듈 프레임은, 상기 복수의 배터리 셀을 수용한 상태로 상기 사이드 프레임에 대해 고정된다.

또한, 상기 모듈 프레임은, 길이방향을 따라 인접한 다른 모듈 프레임과 상호 고정될 수 있다.

그리고, 상기 모듈 프레임은, 상기 베이스 플레이트에 대해 고정될 수도 있다.

그리고, 상기 모듈 프레임은, 상기 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향의 하중을 지지한다.

본 발명의 일 실시형태에 따라서는, 상기 배터리 모듈은, 상기 팩 공간에 수용되기 전에는 상기 한 쌍의 모듈 프레임의 상하면에 각각 결합하는 한 쌍의 가조립 플레이트를 포함하는 임시 배터리 모듈을 이룰 수 있다.

그리고, 상기 한 쌍의 베이스 플레이트에 대한 상기 센터 프레임 및 사이드 프레임의 연결은 마찰교반 용접에 의해 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 한 쌍의 사이드 프레임에 대해 결합하여 상기 팩 공간의 외곽을 감싸는 전방 프레임과 후방 프레임을 포함하고, 상기 사이드 프레임, 전방 프레임 및 후방 프레임은 동일한 형태를 가질 수 있다.

한편, 본 발명의 실시형태에 따라서는, 상기 베이스 플레이트는 그 내부에 길이방향을 따라 연장된 복수의 냉각채널을 구비할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉각채널은 상기 베이스 플레이트에 대해 일체로 형성될 수 있다.

상기 냉각채널은, 상기 베이스 플레이트의 길이방향 일단이 입구채널을 형성하는 한편 길이방향 타단이 출구채널을 형성할 수 있다.

그리고, 상기 입구채널 및 출구채널에는 각각 입구 조인트 및 출구 조인트가 결합할 수 있으며, 하나의 예에서, 상기 입구 조인트와 출구 조인트는 각각 하나의 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 구비하여 상기 복수의 입구채널 및 출구채널에 대해 병렬로 연결된다.

그리고, 상기 입구 조인트 및 출구 조인트는 각각 상기 입구채널 및 출구채널에 대해 퀵 커플러에 의해 연결될 수 있다.

상기한 구성을 구비한 본 발명의 배터리 팩은, 팩 케이스에 별도의 크로스 빔이 구비되지 않고, 배터리 모듈을 구성하는 모듈 프레임이 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향의 하중을 지지한다. 따라서, 팩 케이스에 크로스 빔 구조를 결합할 때 생기는 용접 비드가 사라지기 때문에 동일한 팩 공간에 더 많은 배터리 셀을 밀집 배치하는 것이 가능해지고, 이를 통해 팩 내부의 공간 활용률이 향상된다.

또한, 배터리 모듈 및 팩의 구조를 단순화됨으로써 원가를 절감할 수 있으며, 구조가 단순해지는 만큼 배터리 팩을 다양한 사양으로 손쉽게 변경 또는 확장할 수 있게 된다.

다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 2는 팩 케이스의 구조를 도시한 도면.
도 3은 배터리 모듈을 도시한 도면.
도 4 및 도 5는 인접한 배터리 모듈 사이의 고정 구조를 도시한 도면.
도 6은 배터리 모듈과 사이드 프레임 사이의 고정 구조를 도시한 도면.
도 7은 배터리 모듈과 베이스 플레이트 사이의 고정 구조를 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 배터리 팩에 구비되는 냉각채널을 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 복수의 배터리 셀을 수용하는 팩 공간을 형성하는 팩 케이스는 베이스 플레이트와, 센터 프레임과, 사이드 프레임을 포함한다.

베이스 플레이트는 한 쌍으로 이루어지고, 센터 프레임은 한 쌍의 베이스 플레이트 사이에 개재되어 양측으로 각 베이스 플레이트에 대해 길이방향으로 각각 연결된다. 그리고, 한 쌍의 사이드 프레임은 베이스 플레이트의 외측면에 대해 길이방향으로 각각 연결된다.

복수의 배터리 모듈은 센터 프레임과 사이드 프레임 사이의 팩 공간을 따라 베이스 플레이트 위에 안착되며, 각각의 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임을 구비한다. 그리고, 각 배터리 모듈은 모듈 프레임이 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향, 즉 폭 방향으로 배치되도록 팩 공간에 수용된다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 배터리 팩은 배터리 모듈을 구성하는 모듈 프레임이 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향의 하중을 지지한다. 다시 말해, 배터리 모듈에 포함된 모듈 프레임이 크로스 빔의 역할을 담당한다.

이와 같이, 본 발명의 배터리 팩은, 팩 케이스에 별도의 크로스 빔이 구비되지 않고, 배터리 모듈에 포함된 모듈 프레임이 크로스 빔의 역할을 담당한다. 따라서, 팩 케이스에 크로스 빔 구조를 결합할 때 생기는 용접 비드가 사라지기 때문에 동일한 팩 공간에 더 많은 배터리 셀을 밀집 배치하는 것이 가능해지고, 이를 통해 팩 내부의 공간 활용률이 향상된다.

또한, 모듈과 팩의 구조를 단순화하여 원가를 절감할 수 있으며, 구조가 단순해지는 만큼 배터리 팩을 다양한 사양으로 손쉽게 변경 또는 확장할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.

[제1 실시형태]

도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩(10)의 전체적인 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 팩 케이스(100)의 구조를 도시한 도면이다.

본 발명은 배터리 팩(10)에 관한 것으로서, 복수의 배터리 셀(220)을 수용하는 팩 공간을 형성하는 팩 케이스(100)는 베이스 플레이트(110)와, 센터 프레임(120)과, 사이드 프레임(130)을 포함한다.

베이스 플레이트(110)는 한 쌍으로 이루어지고, 센터 프레임(120)은 한 쌍의 베이스 플레이트(110) 사이에 개재되어 양측으로 각 베이스 플레이트(110)에 대해 길이방향(L)으로 각각 연결된다. 그리고, 한 쌍의 사이드 프레임(130)은 베이스 플레이트(110)의 외측면에 대해 길이방향(L)으로 각각 연결된다.

여기서, 베이스 플레이트(110)가 한 쌍으로 이루어진다는 것은 센터 프레임(120)의 양측으로 베이스 플레이트(110)가 결합한다는 의미로서, 각각의 베이스 플레이트(100)는 몇 개의 플레이트가 접합된 것일 수도 있으며, 또한 센터 프레임(120)을 기준으로 양측의 베이스 플레이트(110)가 반드시 대칭을 이룬다는 것을 의미하는 것도 아니다.

센터 프레임(120)은 양측의 베이스 플레이트(110)에 대해 격벽을 형성하는 한편 각 베이스 플레이트(110)에 대한 결합면을 형성하도록, 역 T자 형태를 이루고 있다. 도 1을 참조하면, 센터 프레임(120)의 수직 격벽으로 분할된 양측의 팩 공간에 각각 복수 개, 도면에 일례로서 도시된 실시형태에서는 각각 4개의 배터리 모듈(200)이 탑재되어 있다.

본 발명의 제1 실시형태에서, 한 쌍의 베이스 플레이트(110)에 대한 센터 프레임(120) 및 사이드 프레임(130)의 연결 내지 결합은 마찰교반 용접에 의해 이루어진다. 마찰교반 용접에 의해 용접 비드는 최소화되어, 베이스 플레이트(110)와 센터 프레임(120), 그리고 사이드 프레임(130) 사이의 연결면은 평탄한 면을 이루게 된다. 필요하다면, 밀링가공과 같은 절삭가공을 통해 용접 비드가 완전히 제거될 수도 있다.

배터리 모듈(200)은 복수 개가 구비되며, 센터 프레임(120)과 사이드 프레임(130) 사이의 팩 공간을 따라 베이스 플레이트(110) 위에 안착된다. 도 3은 배터리 모듈(200)을 도시한 도면으로서, 도면에 도시된 것과 같이, 각각의 배터리 모듈(200)은 복수의 배터리 셀(220)을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임(210)을 구비한다.

한 쌍의 모듈 프레임(210)은, 배터리 셀(220)의 두께 방향(즉, 팩 케이스의 길이방향)을 따라 일렬로 정렬된 복수의 배터리 셀(220)의 양단에 배치된다. 그리고, 모듈 프레임(210)은 복수의 배터리 셀(220)을 수용한 상태로 팩 케이스(100)의 사이드 프레임(130)에 대해 고정되며, 각 배터리 모듈(200)은 모듈 프레임(210)이 센터 프레임(120)과 사이드 프레임(130)을 가로지르는 방향, 즉 폭 방향(W)으로 배치되도록 팩 공간에 수용된다.

도시된 실시형태에서, 배터리 모듈(200)의 폭 방향 양단에는 복수 배터리 셀(220)의 전기적 연결을 위한 버스바 어셈블리(BA)가 구비되어 있다. 버스바 어셈블리(BA)는 배터리 모듈(200)을 이루는 복수의 배터리 셀(220)을 직렬이나 병렬, 또는 직병렬로 연결하며, 또한 복수의 배터리 모듈(200)은 버스바 어셈블리(BA)를 통해 서로간에 전기적 연결을 형성하게 된다.

그리고, 도 1에 나타난 것처럼, 팩 공간에 탑재된 복수의 배터리 모듈(200)은 이격된 간격 없이 밀집 배치되어 있으며, 이에 따라 인접한 배터리 모듈(200)은 모듈 프레임(210)끼리 서로 맞닿게 된다. 모듈 프레임(210)은 폭 방향(W)을 따라 센터 프레임(120)과 사이드 프레임(130) 사이에 끼워진 형태를 이루고 있다. 다시 말해, 모듈 프레임(210)은 센터 프레임(120) 및 사이드 프레임(130)과 함께, 팩 케이스(100)에 격자 프레임 구조를 형성하고 있다.

본 발명에서의 팩 케이스(100)는 길이방향(L)으로 작용하는 하중은 센터 프레임(120)과 사이드 프레임(130)이 담당하며, 폭 방향(W)의 하중에 대한 별도의 지지구조를 구비하지 않는다. 대신에 배터리 모듈(200)을 구성하는 모듈 프레임(210)이 센터 프레임(120)과 사이드 프레임(130)을 가로지르는 방향, 다시 말해 폭 방향(W)의 하중을 지지한다.

즉, 본 발명의 배터리 팩(10)은 팩 케이스(100) 자체는 푹 방향(W) 하중을 담당하는 프레임 구조가 마련되어 있지 않지만, 복수의 배터리 모듈(200)이 팩 공간에 탑재됨으로써 모듈 프레임(210)이 격자 프레임 구조를 완성하게 되고, 이로써 배터리 팩(100)의 강성이 길이방향(L) 및 폭 방향(W) 양 방향에 걸쳐 견고해진다.

이와 같이, 본 발명의 배터리 팩(10)은, 팩 케이스(100)에 별도의 크로스 빔이 구비되지 않고, 배터리 모듈(200)에 포함된 모듈 프레임(210)이 크로스 빔의 역할을 담당한다. 따라서, 팩 케이스(100)에 크로스 빔 구조를 결합할 때 생기는 용접 비드가 사라지고, 용접 비드로 인해 활용하지 못했던 데드 스페이스가 없어지는 만큼 동일한 팩 공간에 더 많은 배터리 셀(220)을 밀집 배치하는 것이 가능해짐으로써 팩 내부의 공간 활용률이 향상된다.

또한, 팩 케이스(100)에 크로스 빔을 구성할 필요가 없어지는 만큼 모듈과 팩의 구조가 단순화되고, 크로스 빔을 구성하기 위한 공정과 시간이 절약되기 때문에 배터리 팩(10) 제조의 필요한 원가를 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명은 팩 케이스(100)의 기본 사이즈가 한 쌍의 베이스 플레이트(110)와 센터 프레임(120)으로 결정된다. 예를 들어, 센터 프레임(120)과 사이드 프레임(130)의 사양은 동일하게 유지하면서 베이스 플레이트(110)의 폭을 달리하는 것만으로도 폭이 다른 배터리 셀(220)을 탑재하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 배터리 팩(10)은 기본 플랫폼을 유지하면서 다양한 사양으로 손쉽게 변경 또는 확장할 수 있게 된다.

추가적으로, 도 2의 실시형태와 같이, 팩 케이스(100)의 전방과 후방에는 각각 전방 프레임(140)과 후방 프레임(150)이 결합할 수 있다. 전방 프레임(140)과 후방 프레임(150)은 팩 공간 외곽의 배터리 모듈(200)을 보호하는 한편 팩 케이스(100)의 비틀림을 억제하는 역할을 한다. 전방 프레임(140)과 후방 프레임(150) 역시 폭 방향(W)의 하중을 일부 지지하지만, 팩 케이스(100)의 크로스 빔 역할은 주로 배터리 모듈(200)의 모듈 프레임(210)이 담당한다.

그리고, 도 1 및 도 2를 참조하면, 전술한 센터 프레임(120)의 내부 구조와 유사하게, 사이드 프레임(130)은 물론 전방 프레임(140)과 후방 프레임(150)의 내부에도 격자형태의 리브(132, 142, 152)가 각각 형성되어 있으며, 전체적인 형태는 L자 형태를 이루고 있다. 이에 따라, 각 프레임(130, 140, 150)의 내부에 구비된 리브(132, 142, 152)와 L자 형태의 절곡 구조에 의해 경량이면서도 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있게 된다.

또 한가지의 특징으로는, 도시된 실시형태에서 사이드 프레임(130)과 전방 프레임(140), 그리고 후방 프레임(150)의 형태가 모두 동일하다는 것이다. 이는 연속 압출공법으로 기다란 프레임 모재를 생산한 후에, 설계 치수에 맞춰 재단함으로써 각각의 프레임(130, 140, 150)을 제조할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이에 따라, 본 발명의 팩 케이스(100)에 대한 제조비용을 줄일 수 있으며, 아울러 팩 케이스(100)의 사이즈 사양이 변경되더라도 최소한의 비용으로도 유연하게 대응할 수 있다.

팩 케이스(100)에 대한 배터리 모듈(200)의 고정은 모듈 프레임(210)에 의해 이루어진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 모듈 프레임(210)은 복수의 배터리 셀(220)을 수용한 상태로 팩 케이스(100)의 사이드 프레임(130)에 대해 고정되는데(고정 포인트 P로 표시), 예를 들어 사이드 프레임(130)의 측면을 통해 모듈 프레임(210)의 대향면에 결속하는 볼팅 구조로서 모듈 프레임(210)을 사이드 프레임(130)에 대해 고정할 수 있다.

또한, 본 발명의 배터리 팩(10)은, 모듈 프레임(210)을 사이드 프레임(130)에 대해 고정하는 것은 물론, 여기에 배터리 모듈(200)을 더욱 견고히 지탱하기 위한 추가적인 고정 구조를 더 구비할 수 있다. 참고로, 이하에서 설명할 추가되는 고정 구조는 다양하게 조합될 수 있다.

도 4 및 도 5는 인접한 배터리 모듈(200) 사이의 고정 구조를 도시한 도면이다. 도 4는 센터 프레임(120)을 사이에 두고 팩 공간이 서로 분할되어 있는 배터리 모듈(200) 사이를 고정 플레이트(240)를 이용하여 상호 고정하는 경우를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 하나의 팩 공간에서 모듈 프레임(210)끼리 맞닿은 인접한 배터리 모듈(200)을 고정 플레이트(240)로 상호 고정하는 경우를 도시한 것이다.

즉, 폭 방향(W) 내지 길이방향(L)으로 인접한 배터리 모듈(200)은 모듈 프레임(210)을 서로 엮어서 상호 고정할 수 있으며, 복수 개의 배터리 모듈(200)이 하나의 모듈과 같이 하나로 연결되어 있음에 따라 배터리 모듈(200)의 고정이 더욱 견고해진다. 또한, 서로 맞닿은 배터리 모듈(200)의 모듈 프레임(210)이 하나로 결속됨으로써 팩 케이스(100)의 폭 방향(W) 강성까지도 강화된다.

나아가 모듈 프레임(210)은 베이스 플레이트(110)에 대해서도 고정될 수 있다. 도 7은 모듈 프레임(210)의 저면이 베이스 플레이트(110)에 대해 고정되는 구조를 고정 포인트(P)로 표시한 것이며, 베이스 플레이트(110)에 대한 모듈 프레임(210)의 고정 또한 배터리 모듈(200)과 팩 케이스(100) 사이의 결합력을 향상시킨다. 참고로, 도 7은 베이스 플레이트(110)를 생략한 팩 케이스(100)의 저면을 보여주고 있으며, 고정 포인트(P)는 단지 체결점을 표시하는 것으로서 체결구조 자체를 한정하는 것은 아님에 유의할 필요가 있다.

한편, 배터리 모듈(200)은 모듈 프레임(210) 사이에 복수의 배터리 셀(220)이 수용되어 있는데, 모듈 프레임(210)과 배터리 셀(220) 간에는 별도의 체결구조가 구비되어 있지 않으며, 이에 따라 배터리 모듈(200)의 구조가 매우 단순화되어 있다. 팩 케이스(100) 안에 배터리 모듈(200)이 설치되면 복수의 배터리 셀(220)은 모듈 프레임(210) 사이에 끼워져 고정되지만, 팩 케이스(100) 안에 장착되기 전에는 배터리 셀(220)은 다소 불완전하게 지탱되어 있다.

이를 위해, 도 3에 도시된 것과 같이, 팩 공간에 조립하기 전의 운송 가능한 배터리 모듈(200)의 임시 구조로서, 한 쌍의 모듈 프레임(210) 상하면에 한 쌍의 가조립 플레이트(230)를 각각 결합한 임시 배터리 모듈(200')을 이룰 수 있다. 복수의 배터리 셀(220)은 모듈 프레임(210)과 가조립 플레이트(230)에 둘러싸인 상태에서 안정적으로 배터리 팩(10) 조립을 위해 운송될 수 있으며, 예를 들어 장거리 운송시 임시 배터리 모듈(200')의 형태로서 취급하는 것이 편리할 수 있다. 다만, 임시 배터리 모듈(200')은 취급의 편의를 위한 가조립 상태의 배터리 모듈(200)을 의미하는 것으로서, 반드시 가조립 플레이트(230)를 사용해야 하는 것은 아니다.

[제2 실시형태]

도 8 및 도 9는 본 발명의 제2 실시형태를 도시한 도면이다. 첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 제2 실시형태에서 베이스 플레이트(110)는 그 내부에 길이방향(L)을 따라 연장된 복수의 냉각채널(112)을 구비하고 있다.

본 발명의 배터리 팩(10)은 베이스 플레이트(110), 센터 프레임(120), 사이드 프레임(130) 등의 프레임 부품은 그 단면을 균일한 형태로 설계할 수 있기 때문에 압출성형으로 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 베이스 플레이트(110)를 알루미늄 합금 등의 소재를 압출하여 제조할 수 있으며, 이러한 압출성형의 공정에서 냉각채널(112)은 베이스 플레이트(110)에 대해 일체로 형성될 수 있다.

베이스 플레이트(110) 내부에 복수의 냉각채널(112)을 일체로 구비함으로써, 별도의 냉각패드를 설치할 필요가 없어지는 만큼 배터리 팩(10)의 구조가 단순해지고 경량화 및 원가절감에도 도움이 된다.

도 8에 도시된 일 실시형태에는 베이스 플레이트(110)에 일체로 형성된 냉각채널(112)이 도시되어 있으며, 냉각채널(122) 옆으로 중공부(119)가 형성되어 있다. 중공부(119)는 베이스 플레이트(110)의 무게를 줄이기 위한 것인 동시에 베이스 플레이트(110)에 축적되는 열을 방출하기 위한 통로의 역할을 한다. 즉, 중공부(119)의 공간을 통해 베이스 플레이트(110) 내부의 열이 배출됨으로써 베이스 플레이트(110)의 온도를 낮추고, 베이스 플레이트(110)의 온도가 낮아지는 만큼 베터리 모듈(200)에서 발생한 열의 흡수가 원활히 이루어질 수 있게 된다.

냉각채널(112)은 베이스 플레이트(110)의 길이방향(L) 일단이 입구채널(113)을 형성하는 한편 길이방향(L) 타단이 출구채널(114)을 형성할 수 있다. 즉, 냉각채널(112)은 직선 유로를 형성할 수 있으며, 특히 베이스 플레이트(110)가 압출성형으로 형성되는 경우에 냉각채널(112)은 직선 유로를 이루게 된다.

냉각매체, 예를 들어 냉각수는 입구채널(113)로 유입하여 열을 흡수한 후 출구채널(114)로 유출되며, 냉각수의 공급과 배출을 위해 입구채널(113) 및 출구채널(114)에는 각각 입구 조인트(115) 및 출구 조인트(117)가 결합할 수 있다.

도 8에는 입구 조인트(115)가 확대 도시되어 있는데, 하나의 예에서, 입구 조인트(115)는 커플러(115-1)를 통해 복수의 주름관이 상호 연통함으로써 서로 직렬적으로 연결되는 구조를 가질 수 있다. 그리고, 입구 조인트(115)의 커플러(115-1)는 퀵 커플러, 즉 어떤 공구를 사용하지 않고 입구채널(113)에 커플러(115-1)를 삽입하는 것만으로도 결속이 이루어지는 구조를 이룰 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 것과 같이, 입구 조인트(115)는 커플러(115-1)에 구비된 쐐기 형태의 결속수단인 후크(115-2)가 입구채널(113) 좌우에 마련된 홈에 끼워지는 것만으로도 결합이 완성되는 퀵 커플러를 구비할 수 있다. 입구채널(113)에 끼워지는 커플러(115-1)의 선단은 입구채널(113)의 단면에 대응하는 형태를 이루고 있으며, 커플러(115-1)의 선단에 구비된 오-링(115-3)과 같은 실링수단이 입구채널(113)에 대해 밀봉을 이룸으로써 냉각수의 누출이 방지될 수 있다. 여기서, 도 9에도 나타난 바와 같이, 출구 조인트(117) 역시 입구 조인트(115)와 동일하게 구성될 수 있음은 명확하다.

그리고, 도시된 제2 실시형태에서, 입구 조인트(115)와 출구 조인트(117)는 각각 하나의 냉각수 입구(116) 및 냉각수 출구(118)를 구비하는 한편 복수의 입구채널(113) 및 출구채널(114)에 대해 병렬로 연결된다. 즉, 하나의 냉각수 입구(116)로 유입되는 냉각수는, 냉각수 입구(116)에서 가까운 입구채널(113)에서부터 시작하여 순차적으로 복수의 입구채널(113)로 유입된다. 마찬가지로, 복수의 출구채널(114)에서 유출되는 냉각수는 하나의 흐름으로 합류하여 하나의 냉각수 출구(118)를 통해 배출된다.

이러한 실시형태에 의하면, 냉각수 입구 및 출구(116, 118)의 개수가 최소화되는 만큼 복수의 배터리 팩(10)에 대해 냉각수 회로를 구성하는 것이 용이해진다.

그리고, 복수의 입구채널(113) 및 출구채널(114)에 대해 병렬로 연결되는 입구 조인트(115)와 출구 조인트(117)는, 입구 및 출구 조인트(115, 117)의 중간중간에 주름관을 구비할 수 있다. 주름관이 구비됨으로써 유연성을 확보한 입구 및 출구 조인트(115, 117)는 복수의 입구채널(113) 및 출구채널(114)에 대한 연결작업을 용이하게 만들며, 또한 냉각수의 유동에 의한 진동이나 배터리 팩에서 전달되는 외부 진동 등을 흡수함으로써 입구 및 출구 조인트(115, 117)의 결속이 풀리는 사고가 예방된다.

이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 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.

10: 배터리 팩 100: 팩 케이스
110: 베이스 플레이트 112: 냉각채널
113: 입구채널 114: 출구채널
115: 입구 조인트 115-1: 커플러
115-2: 후크 115-3: 오-링
116: 냉각수 입구 117: 출구 조인트
118: 냉각수 출구 120: 센터 프레임
130: 사이드 프레임 140: 전방 프레임
150: 후방 프레임 132, 142, 152: 리브
200: 배터리 모듈 210: 모듈 프레임
220: 배터리 셀 230: 가조립 플레이트
240: 고정 플레이트 BA: 버스바 어셈블리
P: 고정 포인트

Claims (15)

1. 한 쌍의 베이스 플레이트;
   상기 한 쌍의 베이스 플레이트 사이에 개재되어, 양측으로 각 베이스 플레이트에 대해 길이방향으로 각각 연결되는 센터 프레임;
   상기 베이스 플레이트의 외측면에 대해 길이방향으로 각각 연결되는 한 쌍의 사이드 프레임; 및
   상기 센터 프레임과 사이드 프레임 사이의 팩 공간을 따라 베이스 플레이트 위에 안착되는 복수의 배터리 모듈;
   을 포함하고,
   각 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임을 구비하고, 상기 모듈 프레임이 상기 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 폭 방향으로 배치되도록 상기 팩 공간에 수용되며,
   상기 각 배터리 모듈은 상기 수용공간에 대해 개별적으로 장착 및 분리가 가능하고,
   상기 베이스 플레이트는 상기 길이방향을 따라 압출성형으로 제조되고, 상기 수용공간에는 상기 복수의 배터리 모듈을 고정하기 위한 돌출 구조물이 없는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 모듈 프레임은,
   배터리 셀의 두께 방향을 따라 일렬로 정렬된 상기 복수의 배터리 셀의 양단에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
3. 제2항에 있어서,
   상기 모듈 프레임은,
   상기 복수의 배터리 셀을 수용한 상태로 상기 사이드 프레임에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
4. 제3항에 있어서,
   상기 모듈 프레임은,
   폭 방향 및/또는 길이방향을 따라 인접한 다른 모듈 프레임과 상호 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
5. 제4항에 있어서,
   상기 모듈 프레임은,
   상기 베이스 플레이트에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
6. 제1항에 있어서,
   상기 모듈 프레임은,
   상기 센터 프레임과 사이드 프레임을 가로지르는 방향의 하중을 지지하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
7. 제1항에 있어서,
   상기 배터리 모듈은,
   상기 팩 공간에 수용되기 전에는 상기 한 쌍의 모듈 프레임의 상하면에 각각 결합하는 한 쌍의 가조립 플레이트를 포함하는 임시 배터리 모듈을 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
8. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 베이스 플레이트에 대한 상기 센터 프레임 및 사이드 프레임의 연결은 마찰교반 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
9. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 사이드 프레임에 대해 결합하여 상기 팩 공간의 외곽을 감싸는 전방 프레임과 후방 프레임을 포함하고,
   상기 사이드 프레임, 전방 프레임 및 후방 프레임은 동일한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 그 내부에 길이방향을 따라 연장된 복수의 냉각채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각채널은,
    상기 베이스 플레이트에 대해 일체로 형성된 것임을 특징으로 하는 배터리 팩.
12. 제10항에 있어서,
    상기 냉각채널은,
    상기 베이스 플레이트의 길이방향 일단이 입구채널을 형성하는 한편 길이방향 타단이 출구채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
13. 제12항에 있어서,
    상기 입구채널 및 출구채널에는 각각 입구 조인트 및 출구 조인트가 결합하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
14. 제13항에 있어서,
    상기 입구 조인트와 출구 조인트는 각각 하나의 냉각수 입구 및 냉각수 출구를 구비하여 상기 복수의 입구채널 및 출구채널에 대해 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
15. 제13항에 있어서,
    상기 입구 조인트 및 출구 조인트는 각각 상기 입구채널 및 출구채널에 대해 퀵 커넥터에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

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