KR20140015846A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20140015846A
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battery
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battery cells
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이준호
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 배터리 팩이 개시된다. 상기 배터리 팩은, 서로 마주보게 배치된 한 쌍의 엔드 플레이트들과, 엔드 플레이트들 사이에서 제1 방향을 따라 배열된 다수의 전지 셀들과, 전지 셀들의 양 측면을 덮고 상기 엔드 플레이트에 결합되는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 엔드 플레이트의 쌍 사이와 사이드 플레이트 쌍 사이를 지지해주는 것으로, 전지 셀들의 전극 단자가 돌출된 상방에 배치되는 탑 플레이트;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 전지 셀의 팽창, 즉, 스웰링을 효과적으로 억제시킬 수 있고, 외부 비틀림에 대한 충분한 강성을 제공할 수 있는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자건거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지 셀의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지 셀들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 배터리 팩의 형태로 사용되기도 한다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 배터리 팩이 선호되며, 배터리 팩은 내장된 전지 셀의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.
이러한 배터리 팩에서는 다수의 전지 셀들을 구조적으로 결속하여 하나의 조립체로 형성하기 위한 조립구조가 요구되는데, 이러한 조립구조는 다수의 전지 셀들을 일체화시키기 위한 체결력을 제공한다. 예를 들어, 상기 전지 셀로서는 리튬이온전지가 사용될 수 있는데, 이 리튬이온전지는 충전 및 방전을 거듭해도 성능이 잘 저하되지 않는 장점이 있는 반면에, 충전시 리튬이온이 이동하면서 음극 쪽이 팽창하는 단점도 가지고 있다. 특히, 다수의 전지 셀들이 연결된 배터리 팩의 경우에는 각 전지 셀이 조금씩만 팽창하더라도 전체적으로 5~10%의 팽창이 일어날 수 있다. 이렇게 배터리 팩의 변형이 심해질 경우에는 전지 셀의 전기저항이 증가하여 전기적인 특성이 저하되는 문제가 발생된다.
한편, 외적 요인에 의해, 배터리 팩에 비틀림 모멘트가 가해질 경우, 강성 부족으로 비틀림 변형이 발생될 수 있으며, 이 경우, 배터리 팩의 변형에 따른 충, 방전 특성의 저하가 나타나게 된다.
본 발명의 일 실시형태는, 전지 셀의 팽창, 즉, 스웰링을 효과적으로 억제시킬 수 있고, 외부 비틀림에 대한 충분한 강성을 제공할 수 있는 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태는, 배터리 팩을 형성하는 각 전지 셀의 상태정보를 전달하는 다수의 배선 가닥들을 하나의 묶음으로 취합하여 배선의 취급성이 향상되고, 배터리 팩의 외관 품위를 향상시킬 수 있는 배터리 팩을 포함한다.
상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 배터리 팩은,
서로 마주보게 배치된 한 쌍의 엔드 플레이트들;
상기 엔드 플레이트들 사이에서 제1 방향을 따라 배열된 다수의 전지 셀들;
상기 전지 셀들의 양 측면을 덮고 상기 엔드 플레이트에 결합되는 한 쌍의 사이드 플레이트; 및
상기 엔드 플레이트의 쌍 사이와 상기 사이드 플레이트 쌍 사이를 지지해주는 것으로, 상기 전지 셀들의 전극 단자가 돌출된 상방에 배치되는 탑 플레이트;를 포함한다.
예를 들어, 상기 탑 플레이트는,
상기 엔드 플레이트의 쌍 사이에서 제1 방향을 따라 연장되는 기저 프레임; 및
상기 기저 프레임으로부터 쌍을 이루는 서로 다른 제1, 제2 사이드 플레이트로 연장되는 제1, 제2 지지 프레임;을 포함한다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 지지 프레임은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 연장된다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 지지 프레임의 일단은, 상기 기저 프레임으로부터 일체적으로 연장되며,
상기 제1, 제2 지지 프레임의 타단에는, 상기 제1, 제2 사이드 플레이트와 마주하도록 벤딩부가 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 벤딩부에는 상기 제1, 제2 사이드 플레이트를 관통한 관통 체결 부재와 기계적인 결합을 형성하는 결합 체결 부재가 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 관통 체결 부재와 결합 체결 부재는 각각 볼트와 너트를 포함한다.
예를 들어, 서로 이웃한 전지 셀의 전극 단자들을 전기적으로 연결하는 다수의 버스 바들을 더 포함하고,
상기 제1, 제2 지지 프레임은, 상기 버스 바들 사이의 간격을 통하여 연장된다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 지지 프레임은,
상기 기저 프레임의 길이 방향을 따라 서로 교대로 엇갈리는 위치에 형성된다.
예를 들어, 상기 탑 플레이트는,
서로 다른 제1, 제2 방향으로 각각 연장되는 기저 프레임과 지지 프레임; 및
기계적인 강성을 보충하기 위해 상기 기저 프레임 및 지지 프레임 중 적어도 어느 하나에 덧대어진 플레이트 형상의 비드부를 포함한다.
예를 들어, 상기 비드부는,
상기 기저 프레임 상에서 제1 방향으로 연장되는 제1 비드부; 및
상기 기저 프레임과 지지 프레임에 걸쳐 제2 방향으로 연장되는 제2 비드부를 포함한다.
예를 들어, 상기 탑 플레이트에는 기계적인 강성을 보충하기 위해 절곡된 강도 보강부가 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 탑 플레이트는 서로 다른 제1, 제2 방향으로 연장되는 기저 프레임 및 지지 프레임을 포함하고,
상기 강도 보강부는, 상기 기저 프레임의 양 측부에서 서로 마주하는 방향으로 절곡 형성된다.
예를 들어, 상기 강도 보강부는, 상기 기저 프레임의 길이 방향을 따라 배열되며, 절개부에 의해 서로 개별화된 다수의 절곡 부분을 포함하고,
상기 지지 프레임은 상기 절개부를 관통하여 연장된다.
예를 들어, 상기 사이드 플레이트의 쌍은,
상기 전지 셀의 바닥 일부를 덮도록 서로 마주하는 방향으로 절곡된 걸림턱을 포함한다.
예를 들어, 상기 사이드 플레이트의 걸림턱은 앤드 플레이트의 플랜지와 결합된다.
예를 들어, 상기 배터리 팩은, 이웃한 전지 셀의 전극 단자들을 전기적으로 연결하기 위한 버스 바를 더 포함하고,
상기 탑 플레이트 상에는,
상기 전지 셀의 전극 단자 또는 버스 바와 접속된 다수 가닥의 배선들을 안내하기 위한 배선 가이드가 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 배선 가이드는 제1 방향을 따라 배열된 다수의 고리형 조각들을 포함하며,
상기 배선 가이드에 결속되는 타이 부재를 통하여 다수 가닥의 배선들이 하나의 묶음으로 취합된다.
예를 들어, 상기 다수 가닥의 배선들은,
상기 전지 셀에 접속된 셀 밸런싱 배선과,
상기 버스 바에 접속된 온도측정 배선을 포함하며,
상기 배선 가이드를 따라 함께 취합되어 상기 제1 방향을 따라 연장된다.
예를 들어, 상기 탑 플레이트 상에는,
상기 전지 셀의 전극 단자 또는 버스 바와 접속된 다수 가닥의 배선들의 올바른 연장방향을 나타내는 조립방향 표시부가 형성되어 있다.
예를 들어, 상기 배터리 팩은, 상기 탑 플레이트 상에 결합되는 절연성의 커버 부재를 더 포함하고,
상기 탑 플레이트에는 상기 커버 부재를 관통한 관통 체결 부재가 결합되는 결합 체결 부재가 형성되어 있다.
본 발명에 의하면, 일 열로 배열된 전지 셀들을 구조적으로 결속시키기 위한 구조로서, 전지 셀의 배열방향을 따라 양편으로 한 쌍의 엔드 플레이트와, 전지 셀의 양 측면으로 한 쌍의 사이드 플레이트가 배치되며, 특히, 한 쌍의 엔드 플레이트와 한 쌍의 사이드 플레이트 간에 일정한 간격을 유지시켜주는 탑 플레이트가 개재됨으로써 전지 셀의 팽창, 즉, 스웰링이 효과적으로 억제될 수 있고, 외부 비틀림에 대해 효과적으로 저항할 수 있는 충분한 강성을 제공할 수 있으며, 배터리 팩의 변형에 따른 충, 방전 특성의 저하가 효과적으로 방지될 수 있다.
또한, 배터리 팩을 형성하는 각 전지 셀의 상태정보를 전달하는 다수의 배선 가닥들을 하나의 단위로 묶어 결속시키도록 배선 가이드가 마련됨으로써, 여러 가닥의 배선들이 서로 엉키거나 꼬이지 않고 하나의 단위로 취합되어 취급성이 향상될 수 있으며, 배선 설계에 따라 정해진 연장 경로를 통하여 배터리 팩 외부로 연장될 수 있다. 이로써 배터리 팩의 외관 품위를 향상시킬 수 있으며, 배터리 팩의 수리, 보수 작업성이 향상될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 셀의 배열을 도시한 사시도이다.
도 3에는 탑 플레이트의 사시도가 도시되어 있다.
도 5는 탑 플레이트를 통하여 정렬된 배선 구조를 보여준다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 적용될 수 있는 탑 플레이트의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 배터리 팩에 대해 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 배터리 팩은 일 방향(Z1 방향)으로 따라 열을 이루어 배열된 다수의 전지 셀(10)들과, 상기 전지 셀(10)의 열을 둘러싸는 플레이트(120,140,150)들을 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 셀(10)의 배열을 도시한 사시도이다. 도면을 참조하면, 상기 전지 셀(10)로는 리튬 이온 전지와 같은 이차 전지가 적용될 수 있으며, 원통형 이차 전지나 각형 이차 전지, 또는 폴리머 이차 전지 등 다양한 형태의 이차 전지가 적용될 수 있고, 어느 하나의 형태에 한정될 필요는 없다.
예를 들어, 각 전지 셀(10)은, 케이스(10b)와, 상기 케이스(10b) 내에 수용된 전극 조립체(미도시)와, 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 케이스(10b) 외부로 인출되는 전극 단자(10a)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 단자(10a)는 전지 셀(10)의 상부를 형성할 수 있으며, 케이스(10b) 상으로 노출될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 상기 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 음극을 포함하며, 권취형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 상기 케이스(10b)는 그 내부에 전극 조립체를 수용하며, 전극 조립체와 외부회로 간의 전기 접속을 위해 케이스(10b) 외부로는 전극 단자(10a)가 형성된다.
예를 들어, 이웃한 전지 셀(10)들은 전극 단자(10a)의 접속을 통하여 서로 전기적으로 연결되며, 직렬 연결 또는 병렬 연결될 수 있는데, 버스 바(15)를 통하여 이웃한 전극 단자(10a)들이 서로 연결될 수 있다.
상기 케이스(10b)에는 안전 벤트(10`)가 형성될 수 있다. 상기 안전 벤트(10`)는 상대적으로 약한 강도로 설계되며, 케이스(10b) 내에 사전에 임계 포인트 이상의 내압이 걸리면 파단되면서 내부 가스를 분출시키는 기능을 한다.
이웃한 전지 셀(10)들 사이에는 스페이서(50)가 개재될 수 있다. 상기 스페이서(50)는 이웃한 전지 셀(10)들을 전기적으로 절연시켜준다. 예를 들어, 상기 케이스(10b)는 전기적으로 극성을 띨 수 있는데, 절연성 소재로 형성된 스페이서(50)를 개재하여 이웃한 전지 셀(10)들 간의 전기적인 간섭을 차단할 수 있다.
또한, 상기 스페이서(50)는 전지 셀(10)들 사이에 방열 통로를 제공할 수 있으며, 이를 위해, 상기 스페이서(50)에는 방열 공(50`)이 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 스페이서(50)의 측면을 덮도록 조립되는 사이드 플레이트(140)에는 방열 공(140`, 도 1)이 형성될 수 있으며, 사이드 플레이트(140)의 방열 공(140`)과 마주하는 위치에 형성된 스페이서(50)의 방열 공(50`)이 상호 연결되어, 전지 셀(10)들 사이의 방열 통로를 제공할 수 있다.
상기 스페이서(50)는 전지 셀(10)들 사이에 개재되어 전지 셀(10)의 열적 팽창, 즉, 스웰링(swelling)을 억제할 수 있다. 상기 전지 셀(10)의 케이스(10b)는 변형이 가능한 금속 소재로 형성되는데, 고분자 소재와 같이 변형이 적은 소재를 이용하여 스페이서(50)를 형성함으로써 전지 셀(10)의 스웰링을 억제할 수 있다.
한편, 상기 스페이서(50)는 이웃한 전지 셀(10)들 사이뿐 아니라, 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 최외곽 전지 셀(10)의 외면에 밀착되게 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 양편에는 엔드 플레이트(150)가 배치되는데, 엔드 플레이트(150)와 전지 셀(10) 간의 전기적인 절연을 위해, 이들(10,150) 사이에 스페이서(50)가 배치될 수 있다.
전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 양편으로는 한 쌍의 엔드 플레이트(150)가 배치된다. 상기 엔드 플레이트(150)의 일면은 전지 셀(10)의 외면과 마주하도록 배치된다. 보다 구체적으로, 상기 엔드 플레이트(150)의 일면은 전지 셀(10)의 외측에 배치된 스페이서(50)와 맞닿게 조립될 수 있다.
상기 엔드 플레이트(150)는 일군의 전지 셀(10)들을 하나의 단위로 묶어 결속시키는 한편으로, 충방전 동작에 따른 전지 셀(10)의 부피 팽창을 억제하고 저항 특성을 유지함으로써 전지 셀(10)의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지한다.
상기 엔드 플레이트(150)는, 베이스 플레이트(151)와, 상기 베이스 플레이트(151)의 가장자리로부터 전지 셀(10)과 반대되는 방향으로 절곡된 플랜지부(152,153,155)를 포함할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(151)는 전지 셀(10)의 외면을 커버할 수 있을 정도의 충분한 면적으로 형성될 수 있다.
상기 플랜지부(152,153,155)는, 베이스 플레이트(151)의 가장자리로부터 전지 셀(10)의 반대방향으로 절곡되어 있다. 상기 플랜지부(152,153,155)는 베이스 플레이트(151)의 양 측면에 형성된 한 쌍의 측면 플랜지부(152)와, 베이스 플레이트(151)의 상부 및 하부에 각각 형성된 상부 및 하부 플랜지부(153,155)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지부(152,153,155)는 엔드 플레이트(150)와 인접한 구성요소 간의 결합을 위한 결합위치를 제공할 수 있고, 예를 들어, 엔드 플레이트(150)의 모서리를 따라 서로 맞닿게 조립된 사이드 플레이트(140) 및 탑 플레이트(120)와의 결합을 매개할 수 있다. 또한, 상기 플랜지부(152,153,155)는 엔드 플레이트(150)의 기계적인 강성을 보강해주는 역할을 겸할 수 있다.
상기 측면 플랜지부(152)는 엔드 플레이트(150)와 사이드 플레이트(140) 간의 결합을 매개하기 위한 결합위치를 제공하며, 측면 플랜지부(152) 상으로 포개어진 사이드 플레이트(140)의 단부는 나사 체결을 통하여 측면 플랜지부(152)와 결합을 이룰 수 있다. 이를 위해, 상기 측면 플랜지부(152)에는 다수의 결합 공이 형성될 수 있다.
상기 전지 셀(10)의 측면에는 사이드 플레이트(140)가 배치된다. 상기 사이드 플레이트(140)는 일 열로 배열된 전지 셀(10)의 측면을 덮도록 배치된다. 상기 사이드 플레이트(140)는 전지 셀(10)의 서로 반대되는 양 측면에 쌍으로 배치될 수 있다. 사이드 플레이트(140)는 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 연장되며, 일단부와 타단부가 각각 서로 반대편에 배치된 엔드 플레이트(150)에 결합될 수 있다. 상기 사이드 플레이트(140)는 엔드 플레이트(150)의 측면 가장자리에 형성된 측면 플랜지부(152)와 나사 결합을 이룰 수 있고, 사이드 플레이트(140)와 측면 플랜지부(152)를 겹쳐지게 배치하고 결합 공을 일치시킨 후, 볼트-너트 등의 체결 부재를 이용하여 양자를 나사 결합시킬 수 있다. 나사 결합을 통하여 사이드 플레이트(140)와 측면 플랜지부(152)는 적어도 일부에 걸쳐서 서로 맞닿는 면 접촉을 형성할 수 있다.
상기 사이드 플레이트(140)는 전체적으로 판 상으로 형성될 수 있으며, 전지 셀(10)의 바닥면 일부를 떠받치도록 절곡된 걸림턱(140a)을 포함할 수 있다. 전지 셀(10)의 서로 반대되는 측면에 배치되는 양편의 사이드 플레이트(140)는, 서로 마주하는 방향으로 절곡된 걸림턱(140a)의 쌍을 이용하여 전지 셀(10)의 바닥을 지지할 수 있다.
상기 걸림턱(140a)은 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 사이드 플레이트(140)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있으며, 걸림턱(140a)의 일단부와 타단부는 엔드 플레이트(150)의 하부 플랜지부(153)와 나사 결합을 형성할 수 있다. 이를 위해 상기 걸림턱(140a)과 하부 플랜지부(153)에는 결합 공이 형성될 수 있고, 결합 공을 일치시킨 후 걸림턱(140a)과 하부 플랜지부(153)를 관통하도록 체결되는 체결 부재를 이용하여 사이드 플레이트(140)와 엔드 플레이트(150)가 나사 결합될 수 있다. 상기 걸림턱(140a)과 하부 플랜지부(153)는 배터리 팩의 코너 위치에서 서로 맞닿으며 면 접촉할 수 있다. 이와 같이, 상기 사이드 플레이트(140)는 엔드 플레이트(150)의 하부 플랜지부(153) 및 측면 플랜지부(152)와 체결을 이루며 일 열의 전지 셀(10)들을 수용하는 수용공간을 형성할 수 있다.
상기 사이드 플레이트(140)에는 방열 공(140`)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 방열 공(140`)은 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 일정한 간격을 두고 복수 개 형성될 수 있다. 상기 방열 공(140`)은 전지 셀(10)과 외기 간의 접촉을 허용함으로써 전지 셀(10)로부터 생성된 구동 열을 신속하게 배출시키는데 기여할 수 있다.
전지 셀(10)의 하부는 사이드 플레이트(140)의 걸림턱(140a)에 의해 떠받쳐지는 부분을 제외하고는, 사이드 플레이트(140)로부터 노출될 수 있으며, 사이드 플레이트(140)로부터 노출된 전지 셀(10)의 하부를 통하여 전지 셀(10)들 사이로 외기의 흐름을 허용할 수 있고, 전지 셀(10)의 방열을 촉진할 수 있다.
사이드 플레이트(140)에는 회로기판(미도시)을 장착하기 위한 보스 부재(145)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 회로기판은 BMS(Battery Management System, 배터리관리시스템) 등을 형성할 수 있다. 사이드 플레이트(140)의 일면은 전지 셀(10) 측면과 대면할 수 있으며, 사이드 플레이트(140)의 타면에는 회로기판이 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 회로기판은 전지 셀(10)의 충, 방전 상태를 모니터링하고 배터리 팩의 전반적인 충, 방전 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 보스 부재(145)는 대략 장방형 또는 정방형의 회로기판에 대응하여 격자 상으로 4군데에 배열될 수 있으며, 다수의 회로기판에 대응하여 격자 상으로 4의 배수에 해당되는 개소에 배열될 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 회로기판에는 결합 공이 형성될 수 있으며, 결합 공을 통과한 나사 부재가 사이드 플레이트(140) 상의 보스 부재(145)에 대해 체결됨으로써 회로기판이 사이드 플레이트(140) 상에 고정될 수 있다.
도 3에는 탑 플레이트(120)의 사시도가 도시되어 있다. 도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 상기 전지 셀(10)의 상부에는 탑 플레이트(120)가 배치된다. 상기 탑 플레이트(120)는 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 전지 셀(10)의 상부 중앙을 가로질러 연장되는 기저 프레임(121)과, 기저 프레임(121)으로부터 사이드 플레이트(140) 측으로 연장되는 지지 프레임(125)을 포함한다.
상기 기저 프레임(121)의 길이방향을 따라 전지 셀(10)의 안전 벤트(10`)와 대응되는 위치에는 개구부(121`)가 형성될 수 있다. 상기 기저 프레임(121)의 일단부와 타단부는 전지 셀(10)의 서로 반대 편에 형성된 엔드 플레이트(150)에 체결될 수 있다. 상기 기저 프레임(121)은 엔드플레이트(150)의 상부 가장자리에 형성된 상부 플랜지부(155)와 나사 결합을 이룰 수 있고, 기저 프레임(121)과 상부 플랜지부(155)를 겹쳐지게 배치하고 결합 공을 일치시킨 후, 볼트-너트 등의 체결 부재를 이용하여 양자(121,155)를 나사 결합시킬 수 있다. 나사 결합을 통하여 기저 프레임(121)과 상부 플랜지부(155)는 적어도 일부에 걸쳐서 서로 맞닿는 면 접촉을 형성할 수 있다.
상기 기저 프레임(121)은 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 양단에 배치된 엔드 플레이트(150)를 서로에 대해 지지해주며, 엔드 플레이트(150) 사이에 일정한 간격을 유지시켜 줌으로써, 열 방향으로 전지 셀(10)의 팽창을 억제하고, 전지 셀(10)의 변형에 따른 충, 방전 특성의 열화를 방지한다.
상기 지지 프레임(125)은 기저 프레임(121)과 교차하는 방향, 예를 들어, 기저 프레임에 수직 방향(Z3 방향)을 따라 전지 셀(10)의 상부를 가로질러 사이드 플레이트(140)에 대해 결합된다. 상기 지지 프레임(125)은 기저 프레임(121)과 일체적으로 성형될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 지지 프레임(125)은 기저 프레임(121)으로부터 연장되는 일단과, 상기 일단으로부터 연장되어 사이드 플레이트(140)에 체결되는 타단을 포함한다. 예를 들어, 지지 프레임(125)의 일단은 기저 프레임(121)으로부터 일체로 연장될 수 있으며, 지지 프레임(125)의 타단은 사이드 플레이트(140)에 나사 체결될 수 있다. 이를 위해, 상기 지지 프레임(125)의 타단은 사이드 플레이트(140)와 마주하도록 절곡되고, 사이드 플레이트(140) 상에 포개지는 벤딩부(125a)를 포함할 수 있다.
상기 사이드 플레이트(140)와 벤딩부(125a)는 서로에 대해 겹쳐진 상태로 결합될 수 있으며, 벤딩부(125a)에는 결합 체결 부재(125b)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 사이드 플레이트(140)의 결합 공과 벤딩부(125a)의 결합 체결 부재(125b)를 서로 위치 정렬시킨 후, 사이드 플레이트(140)를 통과한 관통 체결 부재(171)를 결합 체결 부재(125b)에 대해 결합시킴으로써 사이드 플레이트(140)와 지지 프레임 (125)간의 체결을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 관통 체결 부재(171)와 결합 체결 부재(125b)는 각각 볼트와 너트를 포함할 수 있다. 상기 관통 체결 부재(171)는 서로에 대해 겹쳐진 사이드 플레이트(140)와 지지 프레임(125)을 관통하고, 지지 프레임(125)에 고정된 결합 체결 부재(125b)에 결합될 수 있다. 한편, 나사 결합에 의하지 않고, 지지 프레임(125)의 벤딩부(125a)는 사이드 플레이트(140)에 대해 용접 결합될 수도 있다.
상기 지지 프레임(125)은 전지 셀(10)의 양측에 배치된 사이드 플레이트(140)를 서로에 대해 지지해주며, 사이드 플레이트(140) 사이에 일정한 간격을 유지시켜 줌으로써, 측면방향으로 전지 셀(10)의 팽창을 억제하고, 전지 셀(10)의 변형에 따른 충, 방전 특성의 열화를 방지한다.
예를 들어, 상기 전지 셀(10)은 기저 프레임(121)이나 사이드 플레이트(140)에 의해 열 방향(Z1 방향)으로 압착된 상태로 조립되며, 압착 압력에 따라 전지 셀(10)이 측면방향(Z3 방향)으로 팽창하게 되고 그 결과 사이드 플레이트(140)가 볼록하게 휘어지는 변형이 발생될 수 있다.
상기 지지 프레임(125)은 전지 셀(10)의 양측에 배치된 사이드 플레이트(140)를 여러 개소에서 서로에 대해 결속시킴으로써 측면방향(Z3 방향)으로 전지 셀(10)을 압박하고, 전지 셀(10)의 팽창에 따라 사이드 플레이트(140)가 볼록하게 휘어지는 현상을 방지할 수 있다. 전지 셀(10)의 형상 변형은 충, 방전 특성을 열화시키므로, 전지 셀(10)의 변형을 방지하고 충, 방전 특성을 일정하게 유지할 수 있다.
상기 지지 프레임(125)은 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 회전중심으로 하는 회전 모멘트 및 축 비틀림에 대항하기 위한 기계적인 강성을 제공할 수 있다. 즉, 상기 지지 프레임(125)은 한 쌍의 사이드 플레이트(140)를 서로에 대해 일정한 간격으로 지지해줌으로써, 배터리 팩의 축 회전, 축 비틀림에 대한 충분한 강성을 제공할 수 있다.
상기 지지 프레임(125)은, 기저 프레임(121)의 일 측으로부터 제1 사이드 플레이트(141)를 향하여 연장되는 제1 지지 프레임(1251)과, 기저 프레임(121)의 타 측으로부터 제2 사이드 플레이트(142)를 향하여 연장되는 제2 지지 프레임(1252)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 지지 프레임(1251,1252)은 기저 프레임(121)의 서로 반대되는 측부로부터 연장될 수 있으며, 기저 프레임(121)의 길이방향을 따라 서로 교대로 엇갈리는 위치에 형성될 수 있다.
상기 탑 플레이트(120)에는 적어도 하나 이상의 비드부(128)가 형성될 수 있다. 상기 비드부(128)는 기저 프레임(121) 및 지지 프레임(125) 상에 덧대어진 형태로 마련될 수 있고, 탑 플레이트(120)의 기계적 강성을 보충하기 위한 목적에 기여할 수 있다.
상기 탑 플레이트(120)는 한 쌍의 사이드 플레이트(140)를 서로에 대해 일정한 간격으로 지지해줌으로써, 전지 셀(10)의 팽창을 억제하고, 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 중심으로 하는 배터리 팩의 축 회전, 축 비틀림에 대항하기 위한 기계적인 강성을 제공한다. 상기 비드부(128)는 탑 플레이트(120)의 강성을 보충하여 전지 셀(10)의 팽창(스웰링, swelling)이나, 배터리 팩의 축 회전, 축 비틀림에 대한 충분한 강성을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 비드부(128)는 기저 프레임(121) 상에 형성된 제1 비드부(128a)와, 기저 프레임(121)과 지지 프레임(125)의 경계에 걸쳐서 형성된 제2 비드부(128b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 비드부(128a)는 기저 프레임(121)을 따라 다수로 배열될 수 있으며, 개구부(121`)들 사이에 형성될 수 있다. 상기 제1 비드부(128a)는 기저 프레임(121)을 따라 연장되어 기저 프레임(121)의 길이방향으로 구조적인 강성을 제공할 수 있다.
상기 제2 비드부(128b)는 기저 프레임(121) 상으로부터 지지 프레임(125) 상으로 연장 형성될 수 있다. 상기 제2 비드부(128b)는 지지 프레임(125)의 길이방향을 따라 연장되어 지지 프레임(125)의 길이방향으로 구조적인 강성을 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1, 제2 비드부(128a,128b)는, 기저 프레임(121)의 길이방향 및 지지 프레임(125)의 길이방향으로 각각 연장되어, 각 길이방향으로 강성을 제공함으로써, 엔드 플레이트(150)의 쌍 및 사이드 플레이트(140)의 쌍을 일정한 간격으로 유지해주고 전지 셀(10)의 팽창이나 비틀림 변형을 억제할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 탑 플레이트(120) 상부에는 커버 부재(180)가 배치된다. 상기 커버 부재(180)는, 전지 셀(10)의 전극 단자(10a)와, 전극 단자(10a)들을 연결하는 버스 바(15)를 덮도록 형성될 수 있으며, 외부환경으로부터 이들을 절연시킬 수 있다. 상기 커버 부재(180)는 절연소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 상기 커버 부재(180)는 전지 셀(10)의 상부를 전체적으로 커버할 수 있으며, 배터리 팩의 외부접속단자를 형성하는 일부 전극 단자(10a)를 외부로 노출시킬 수 있다.
상기 커버 부재(180)는 탑 플레이트(120) 상에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버 부재(180)와 탑 플레이트(120)는 볼트 등의 관통 체결 부재(미도시)를 이용하여 기계적인 결합을 형성할 수 있다. 이를 위해, 상기 탑 플레이트(120) 중 지지 프레임(125) 상에는 결합 체결 부재(125c)가 형성될 수 있다.
커버 부재(180)의 결합 공과 지지 프레임(125)의 결합 체결 부재(125c)를 서로 정렬시킨 후, 커버 부재(180)를 통과한 관통 체결 부재(미도시)와 결합 체결 부재(125c)를 결합시킴으로써 커버 부재(180)를 위치 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 관통 체결 부재(미도시)와 결합 체결 부재(125c)는 각각 볼트와 너트를 포함할 수 있다.
도 4는 버스 바(15)와 탑 플레이트(120)의 배치를 보여주는 도면으로, 배터리 팩의 상부 구조를 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 배터리 팩을 형성하는 일 군의 전지 셀(10)은 버스 바(15)를 이용하여 전기적으로 연결되며, 예를 들어, 직렬 접속될 수 있다. 상기 버스 바(15) 각각은 서로 다른 쌍의 전지 셀(10)을 전기적으로 연결하며, 전지 셀(10)의 전극 단자(10a) 상으로 돌출된 부분에 끼워 조립되거나 또는 전극 단자(10a) 상에 용접 결합될 수 있다. 이때, 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 일군의 전지 셀(10)들을 순차적으로 연결하도록 복수의 버스 바(15)들은 서로 엇갈리는 위치에 조립될 수 있다.
상기 전지 셀(10)의 상부에는 버스 바(15)와 함께 탑 플레이트(120)가 배치된다. 이때, 버스 바(15)와 탑 플레이트(120)는 서로에 대한 기계적/전기적 간섭을 피하기 위해, 간섭을 일으키지 않는 위치에 형성된다.
보다 구체적으로, 상기 버스 바(15)는 이웃한 전지 셀(10)의 쌍을 연결하도록 일 방향(Z1 방향)으로 연장되며, 서로 다른 쌍의 전지 셀(10)을 연결하도록 복수의 버스 바(15)가 배치된다. 그리고, 버스 바(15)들 사이의 간격을 이용하여 탑 플레이트(120)의 지지 프레임(125)이 배치됨으로써 버스 바(15)와의 간섭을 피할 수 있다. 예를 들어, 지지 프레임(125)은, 기저 프레임(121)으로부터 서로 반대 방향으로 연장되는 제1, 제2 지지 프레임(1251,1252)을 포함할 수 있고, 상기 제1, 제2 지지 프레임(1251,1252)은, 기저 프레임(121)의 길이 방향을 따라 서로 교대로 엇갈리는 위치에 형성될 수 있다. 상기 지지 프레임(125)은 버스 바(15)의 간격에 대응하여 형성될 수 있으며, 버스 바(15)의 배치에 따라 허용되는 지지 프레임(125)의 최대 개수가 결정될 수 있다.
도 5는 탑 플레이트(120)를 통하여 정렬된 배선 구조를 보여준다. 도면을 참조하면, 상기 탑 플레이트(120)는, 각 전지 셀(10)의 전극 단자(10a)나 버스 바(15)로부터 인출되는 배선(81,85)을 가이드 하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 배선(81,85)은 다수 개소에 분산되어 있는 전극 단자(10a) 또는 버스 바(15)로부터 인출되는 다수 가닥의 배선(81,85)들을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 다수 가닥의 배선(81,85)들은 전지 셀(10)의 상태정보, 예를 들어, 전압이나 온도정보를 외부로 전달하기 위해 배터리 팩 외부로 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 배선(81,85)의 일단은 전극 단자(10a) 또는 버스 바(15)에 접속되고, 타단은 배터리 팩의 외부에 배치된 BMS(Battery Management System, 배터리관리시스템)에 접속될 수 있다. 이때, 탑 플레이트(120)에 형성된 배선 가이드(121a)를 통하여 여러 가닥의 배선(81,85)을 취합하고 배터리 팩 외부로 향하는 연장 경로를 형성할 수 있다.
도 3 및 도 5를 함께 참조하면, 상기 배선 가이드(121a)는, 탑 플레이트(120), 보다 구체적으로, 기저 프레임(121) 상에 일체로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 기저 프레임(121) 상에 형성된 고리 형태의 조각으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배선 가이드(121a)는 기저 프레임(121)의 연장 방향(Z1 방향)을 따라 일 열로 배열될 수 있으며, 배열방향을 따라 배선(81,85)의 연장 경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 배선(81,85)들은 전지 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 연장될 수 있다.
상기 배선 가이드(121a)에는 여러 가닥의 배선(81,85)을 묶어 취합하기 위한 타이 부재(미도시)가 결속될 수 있으며, 타이 부재에 의해 결속된 배선(81,85)은 하나의 단위로 묶여 용이하게 취급될 수 있다. 일 열로 배열된 배선 가이드(121a)에 결속된 배선(81,85)은 연장 경로를 따라 배터리 팩의 외부로 연장될 수 있으며, 연장 단부에는 커넥터(86)가 마련될 수 있다. 예를 들어, 상기 타이 부재는 절연성 플라스틱 소재로 형성될 수 있으며, 가요성 와이어 형태로 마련될 수 있다.
탑 플레이트(120) 상에 배선 가이드(121a)를 마련함으로써, 여러 가닥의 배선(81,85)들이 서로 엉키거나 꼬이지 않고 하나의 단위로 취합되어 취급성이 향상될 수 있으며, 배선(81,85) 설계에 따라 정해진 연장 경로를 통하여 배터리 팩 외부로 연장될 수 있다. 이로써 배터리 팩의 외관 품위를 향상시킬 수 있으며, 배터리 팩의 수리, 보수 작업성이 향상될 수 있다.
상기 탑 플레이트(120) 상에는 배선(81,85)의 올바른 연장방향을 나타내는 조립방향 표시부(121b)가 마련될 수 있다. 상기 조립방향 표시부(121b)는 배선(81,85)의 조립방향을 표시해줌으로써 배선(81,85)의 오조립을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 조립방향 표시부(121b)는 화살표 형태로 형성될 수 있으며, 조립 작업자에게 시각적으로 배선(81,85)의 연장방향을 지시하는 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 배선(81,85)은, 전지 셀(10)의 전극 단자(10a)에 접속된 셀 밸런싱 배선(81)과, 버스 바(15)에 접속된 온도측정 배선(85)을 포함할 수 있다. 상기 셀 밸런싱 배선(81)은, 각 전지 셀(10)의 전압 신호를 BMS(Battery Management System, 배터리관리시스템)로 전달할 수 있다. 그리고, 셀 밸런싱 배선(81) 및 온도측정 배선(85)은 탑 플레이트(120) 상에 마련된 배선 가이드(121a)를 통하여 하나의 묶음으로 취합되어 배터리 팩 외부로 연장될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 적용될 수 있는 탑 플레이트(220)의 사시도이다. 도면을 참조하면, 기저 프레임(221)의 측부를 따라서는 다수의 강도 보강부(228)가 형성될 수 있다. 상기 강도 보강부(228)는 기저 프레임(221)의 서로 반대되는 양 측부로부터 서로 마주하도록 절곡된 쌍으로 형성될 수 있다. 상기 강도 보강부(228)는 양 측부의 길이방향(Z1 방향)을 따라 서로 이격된 다수로 마련될 수 있으며, 강도 보강부(228) 사이를 통하여 지지 프레임(225)이 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 강도 보강부(228)는, 기저 프레임(221)의 길이방향(Z1 방향)을 따라 배열되며, 절개부에 의해 서로 개별화된 다수의 절곡 부분을 포함하고, 상기 지지 프레임(225)은 상기 절개부를 관통하여 연장될 수 있다.
상기 강도 보강부(228)는 기저 프레임(221)의 강도 보강을 위해 형성될 수 있다. 상기 강도 보강부(228)는 기저 프레임(221)의 기계적인 강도를 보충하며, 예를 들어, 휨 변형에 저항할 수 있는 강성을 제공할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10 : 전지 셀 10` : 안전 벤트
10a : 전극 단자 10b : 전지 셀의 케이스
15 : 버스 바 120,220 : 탑 플레이트
121,221 : 기저 프레임 121a : 배선 가이드
121b : 조립방향 표시부 125,225 : 지지 프레임
1251 : 제1 지지 프레임 1252 : 제2 지지 프레임
125a : 지지 프레임의 벤딩부 125b,125c : 결합 체결 부재
128 : 비드부 128a : 제1 비드부
128b : 제2 비드부 140 : 사이드 플레이트
140` : 방열 공 140a : 걸림턱
141 : 제1 사이드 플레이트 142 : 제2 사이드 플레이트
145 : 보스 부재 228 : 강도 보강부
150 : 엔드 플레이트 151 : 베이스 플레이트
152 : 측면 플랜지부 153 : 하부 플랜지부
155 : 상부 플랜지부 171 : 관통 체결 부재
180 : 커버 부재

Claims (20)

  1. 서로 마주보게 배치된 한 쌍의 엔드 플레이트들;
    상기 엔드 플레이트들 사이에서 제1 방향을 따라 배열된 다수의 전지 셀들;
    상기 전지 셀들의 양 측면을 덮고 상기 엔드 플레이트에 결합되는 한 쌍의 사이드 플레이트; 및
    상기 엔드 플레이트의 쌍 사이와 상기 사이드 플레이트 쌍 사이를 지지해주는 것으로, 상기 전지 셀들의 전극 단자가 돌출된 상방에 배치되는 탑 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트는,
    상기 엔드 플레이트의 쌍 사이에서 제1 방향을 따라 연장되는 기저 프레임; 및
    상기 기저 프레임으로부터 쌍을 이루는 서로 다른 제1, 제2 사이드 플레이트로 연장되는 제1, 제2 지지 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1, 제2 지지 프레임은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1, 제2 지지 프레임의 일단은, 상기 기저 프레임으로부터 일체적으로 연장되며,
    상기 제1, 제2 지지 프레임의 타단에는, 상기 제1, 제2 사이드 플레이트와 마주하도록 벤딩부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 벤딩부에는 상기 제1, 제2 사이드 플레이트를 관통한 관통 체결 부재와 결합되는 결합 체결 부재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 관통 체결 부재와 결합 체결 부재는 각각 볼트와 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    서로 이웃한 전지 셀의 전극 단자들을 상호 전기적으로 연결하는 다수의 버스 바들을 더 포함하고,
    상기 제1, 제2 지지 프레임은, 상기 버스 바들 사이의 간격을 통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1, 제2 지지 프레임은,
    상기 기저 프레임의 길이방향을 따라 서로 교대로 엇갈리는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트는,
    서로 다른 제1, 제2 방향으로 각각 연장되는 기저 프레임과 지지 프레임; 및
    기계적인 강성을 보충하기 위해 상기 기저 프레임 및 지지 프레임 중 적어도 어느 하나에 덧대어진 플레이트 형상의 비드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비드부는,
    상기 기저 프레임 상에서 제1 방향으로 연장되는 제1 비드부; 및
    상기 기저 프레임과 지지 프레임에 걸쳐 제2 방향으로 연장되는 제2 비드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트에는 기계적인 강성을 보충하기 위해 절곡된 강도 보강부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탑 플레이트는 서로 다른 제1, 제2 방향으로 연장되는 기저 프레임 및 지지 프레임을 포함하고,
    상기 강도 보강부는, 상기 기저 프레임의 양 측부에서 서로 마주하는 방향으로 절곡 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 강도 보강부는, 상기 기저 프레임의 길이방향을 따라 배열되며, 절개부에 의해 서로 개별화된 다수의 절곡 부분을 포함하고,
    상기 지지 프레임은 상기 절개부를 관통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트의 쌍은,
    상기 전지 셀들의 바닥 일부를 덮도록 서로 마주하는 방향으로 절곡된 걸림턱을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 사이드 플레이트의 걸림턱은 앤드 플레이트의 플랜지와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    이웃한 전지 셀의 전극 단자들을 상호 전기적으로 연결하기 위한 버스 바를 더 포함하고,
    상기 탑 플레이트 상에는,
    상기 전지 셀의 전극 단자 또는 버스 바와 접속된 다수 가닥의 배선들을 안내하기 위한 배선 가이드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 배선 가이드는 제1 방향을 따라 배열된 다수의 고리형 조각들을 포함하며,
    상기 배선 가이드에 결속되는 타이 부재를 통하여 다수 가닥의 배선들이 하나의 묶음으로 취합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다수 가닥의 배선들은,
    상기 전지 셀에 접속된 셀 밸런싱 배선과,
    상기 버스 바에 접속된 온도측정 배선을 포함하며,
    상기 배선 가이드를 따라 함께 취합되어 상기 제1 방향을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 탑 플레이트 상에는,
    상기 전지 셀의 전극 단자 또는 버스 바와 접속된 다수 가닥의 배선들의 올바른 연장방향을 나타내는 조립방향 표시부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트 상에 결합되는 절연성의 커버 부재를 더 포함하고,
    상기 탑 플레이트에는 상기 커버 부재를 관통한 관통 체결 부재가 결합되는 결합 체결 부재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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