KR20170065771A - 전지셀들의 배열 방향이 상이한 전지모듈들을 포함하고 있는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈들; 상기 전지모듈들이 상면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 및 상기 전지모듈들을 내장한 상태로 베이스 플레이트의 외주변에 결합된 커버(cover) 부재;를 포함하고 있고, 상기 전지모듈들 중에서 적어도 하나 이상의 전지모듈은 전지셀들의 배열 방향이 다른 전지모듈과 상이한 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

전지셀들의 배열 방향이 상이한 전지모듈들을 포함하고 있는 전지팩 {Battery Pack Comprising Battery Modules Having Battery Cells Arranged in Different Directions}

본 발명은 전지셀들의 배열 방향이 상이한 전지모듈들을 포함하고 있는 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.

특히, 상기 차량용 전지팩은 수리 또는 점검 시에, 전지팩의 전원 내지 전기적 연결이 차단된 상태에서 수행되어야 하므로, 이러한 수리 또는 점검 과정이 용이하게 수행될 수 있도록 하기 위해, 상기 전지팩의 탑재 공간에 제약이 발생하는 문제점이 있다.

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, 전지셀들의 배열 방향이 상이한 구조의 전지모듈들을 포함하도록 구성함으로써, 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 있으며, 제한된 공간에서, 전지팩에 대한 수리 또는 점검을 보다 용이하게 수행할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,

각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈들;

상기 전지모듈들이 상면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 및

상기 전지모듈들을 내장한 상태로 베이스 플레이트의 외주변에 결합된 커버(cover) 부재;

를 포함하고 있고,

상기 전지모듈들 중에서 적어도 하나 이상의 전지모듈은 전지셀들의 배열 방향이 다른 전지모듈과 상이한 구조일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 전지셀들의 배열 방향이 상이한 구조의 전지모듈들을 포함하도록 구성함으로써, 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 있으며, 제한된 공간에서, 전지팩에 대한 수리 또는 점검을 보다 용이하게 수행할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 베이스 플레이트는 평면상으로 각각 직사각형 구조로 이루어진 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트를 포함하고 있으며, 상기 제 2 플레이트는 제 1 플레이트의 외주변들 중에서 상대적으로 긴 길이를 갖는 일측 외주변에 연결되어 있는 구조일 수 있다.

즉, 상기 베이스 플레이트는 평면상으로 각각 직사각형 구조로 이루어진 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트가 다양한 형상으로 연결되어 있는 구조일 수 있으며, 이에 따라, 상기 베이스 플레이트의 구조를 바탕으로, 보다 다양한 형상으로 전지팩을 구성함으로써, 디바이스 내에서, 상기 전지팩의 탑재 공간에 대한 제약을 보다 용이하게 극복할 수 있다.

이때, 상기 제 2 플레이트는 제 1 플레이트의 외주변들 중에서 상대적으로 긴 길이를 갖는 일측 외주변의 중앙 부위에 연결되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 전지팩은 일반적으로 크기를 최소화하기 위해 부피 대비 큰 중량을 갖는 구조로 구성된다.

이러한 경우에, 상기 베이스 플레이트는 상기 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트가 평면상으로 'T'자 형상으로 연결된 구조일 수 있다.

상기 구조에 따라, 전지팩은 평면상으로 자동차와 같은 디바이스의 중앙 부위에 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.

또한, 상기 전지모듈들은 제 1 전지모듈 집합체 및 제 2 전지모듈 집합체로 구분되어 있고, 상기 제 1 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향과 제 2 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향이 서로 상이한 구조일 수 있다.

다시 말해, 본 발명에 따른 전지팩을 구성하는 전지모듈들은, 상기 전지모듈을 구성하는 전지셀들의 배열 방향에 따라, 제 1 전지모듈 집합체와 제 2 전지모듈 집합체로 구분될 수 있다.

이때, 상기 제 1 전지모듈 집합체는, 제 2 플레이트의 상에 탑재되어 있는 제 1 전지모듈군과, 상기 제 1 전지모듈군에 대향하는 위치에서 제 1 플레이트 상에 탑재되어 있는 제 2 전지모듈군으로 구성되어 있고;

상기 제 2 전지모듈 집합체는, 제 1 전지모듈 집합체의 제 2 전지모듈군의 양측에 상호 분리 배열된 상태로, 제 1 플레이트 상에 각각 탑재되어 있는 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군으로 구성되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 베이스 플레이트 상에서 전지모듈 집합체가 탑재되는 부위는 총 4 군데로서, 제 2 플레이트의 일면, 상호 분리되어 있는 제 1 플레이트의 양측 단부, 및 제 1 플레이트의 양측 단부 사이의 이격 부위일 수 있다.

이때, 상기 제 2 플레이트의 일면 및 이에 대향하는 제 1 플레이트의 양측 단부 사이의 이격 부위에는 각각 제 1 전지모듈 집합체를 구성하는 제 1 전지모듈군과 제 2 전지모듈군이 각각 탑재되며, 상기 제 1 플레이트의 양측 단부에는 제 2 전지모듈 집합체를 이루는 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군이 각각 탑재되는 구조일 수 있다.

여기서, 상기 제 1 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향은 제 1 플레이트에 대한 제 2 플레이트의 연결 방향에 수직이고, 상기 제 2 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향은 제 1 플레이트에 대한 제 2 플레이트의 연결 방향에 평행한 구조일 수 있다.

앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 전지팩은 다비이스의 좌우 양측에 인가되는 전지팩의 무게가 균형을 이루도록, 상기 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트가 평면상으로 'T'자 형상으로 연결된 구조일 수 있다.

이에 따라, 전지모듈들은 상기 제 1 플레이트의 양측 단부에 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군이 균형을 이루도록 배치된 상태에서, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 사이의 상대적으로 좁은 이격 부위에 제 2 전지모듈군이 탑재될 수 있다.

이때, 상기 전지모듈들을 구성하는 전지셀들은 일반적으로 판상형 구조의 파우치형 전지셀로 이루어질 수 있다.

따라서, 상기 제 1 플레이트와 제 2 플레이트의 연결 부위에서, 상대적으로 작은 크기의 외주변 폭을 갖는 제 2 플레이트 상에 탑재되는 제 1 전지모듈군, 및 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 사이의 이격 부위에 탑재되는 제 2 전지모듈군은 전지셀들의 배열 방향이 제 1 플레이트에 대한 제 2 플레이트의 연결 방향에 수직인 구조로 구성됨으로써, 상대적으로 좁은 폭을 갖는 탑재 부위에서, 전지셀들의 수량만을 조절함으로써, 보다 용이하게 상기 탑재 부위의 폭에 대응하는 크기로 구성될 수 있다.

이와 반대로, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군은 전지셀들의 배열 방향이 제 1 플레이트에 대한 제 2 플레이트의 연결 방향에 평행한 구조로 구성됨으로써, 상대적으로 큰 폭을 갖는 탑재 부위인 제 1 플레이트의 양측 단부에 대응하는 크기로 보다 용이하게 구성될 수 있다.

한편, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 사이의 이격 간격은, 제 1 플레이트의 외주변에 접하는 제 2 플레이트의 외주변 폭에 대해 50% 내지 150%의 크기일 수 있다.

만일, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 사이의 이격 간격이 상기 범위를 벗어나 지나치게 작은 경우에는, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 사이의 이격 부위에 제 2 전지모듈군이 탑재되는 공간이 충분하게 확보될 수 없으며, 이와 반대로 상기 범위를 벗어나 지나치게 클 경우에는, 제 1 플레이트의 양측 단부에 탑재되는 제 3 전지모듈군 및 제 4 전지모듈군과 동일한 전지셀 배열 방향을 갖는 전지모듈군을 상기 이격 부위에 탑재하는 경우에 비해, 오히려 전지팩의 구성이 더 복잡해질 수 있다.

또한, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 각각은 둘 이상의 전지모듈들로 이루어져 있고, 각각의 전지모듈군에서 전지모듈들은 인접 배열되어 전지모듈 어셈블리를 이루고 있는 구조일 수 있다.

이때, 상기 전지모듈 어셈블리는 전지셀들의 배열 방향에 평행한 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상대적으로 넓은 폭을 갖는 제 1 플레이트의 양측 단부에는 각각의 전지모듈들이 인접 배열된 구조의 전지모듈 어셈블리가 탑재됨으로써, 전지팩의 구성을 보다 간소화할 수 있으며, 상기 전지팩의 조립 및 상기 전지팩에 탑재되는 전지모듈들 간의 전기적 연결에 소요되는 시간을 보다 절약할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전지팩은 매뉴얼 서비스 디바이스(manual service device) 및 퓨즈 박스(fuse box)가 상기 제 1 전지모듈 집합체의 제 2 전지모듈군 상에 위치해 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스는 전지팩을 구성하는 모든 전지모듈군들의 전기적 연결 상태를 제어하는 역할을 수행하며, 이에 따라, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스는 전지팩을 구성하는 모든 전지모듈군과의 전기적 연결이 용이하게 달성될 수 있는 위치로서, 평면상으로 중앙 부위에 위치한 제 2 전지모듈군 상에 위치해 있어, 각 전지모듈군들과의 거리가 최소화될 수 있으며, 이에 따라, 보다 간소화된 구조로 전지팩을 구성할 수 있다.

이때, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스에 대응하는 위치에서 커버 부재의 부위에는 개구가 형성되어 있으며, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스는 커버 부재의 개구를 통해 외부로 노출되어 있는 구조일 수 있으며, 전지팩에 대한 수리 또는 점검 시에 작업자는, 커버 부재의 개구를 통해, 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스에 의해 전지팩의 전기적 연결을 단전시킬 수 있다.

즉, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스는 전지팩에 대한 수리 또는 점검 시에, 상기 전지팩의 커버 부재를 분해할 필요 없이, 작업자에 의해 보다 용이하게 조작될 수 있으며, 이에 따라, 상기 전지팩에 대한 수리 또는 점검을 위해, 커버 부재를 분리하는 경우 발생할 수 있는 전기적 안전 사고를 사전에 효과적으로 예방할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 제 3 전지모듈군 또는 제 4 전지모듈군 상에는, BMS(battery management system)가 탑재되기 위한 BMS 탑재용 브라켓(bracket)이 장착되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 BMS는 전지팩의 전체적인 작동 상태를 제어하기 위한 구성 요소로서, 상기 전지팩을 구성하는 각 요소들과의 연결 상태가 안정적으로 유지되어야 할 필요가 있다.

이때, 상기 BMS 탑재용 브라켓은 판상형 구조로 이루어져 있고, 제 1 전지모듈 집합체를 구성하는 전지모듈들 또는 상기 전지모듈들로 이루어진 전지모듈 어셈블리의 적어도 일부를 덮는 구조로 결합 및 고정되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상기 BMS는 판상형 구조로 이루어져 있는 BMS 탑재용 브라켓에 탑재됨으로써, 전지팩 내에서 안정적인 탑재 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 BMS 탑재용 브라켓은 제 1 전지모듈 집합체의 제 3 전지모듈군 또는 제 4 전지모듈군을 구성하는 전지모듈들 또는 전지모듈 어셈블리의 적어도 일부를 덮는 구조로 결합 및 고정되어 있어, 상기 전지모듈들 또는 전지모듈 어셈블리의 물리적 연결 상태에 대한 기계적 강성을 보완하고, 이를 안정적으로 고정 및 유지시킬 수 있다.

한편, 상기 커버 부재의 일 측면에는 내부의 가스를 배출하기 위한 벤팅부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.

일반적으로, 전지팩에서 주요 연구 과제 중의 하나는 안전성을 향상시키는 것으로서, 이러한 안전성의 문제 중 하나로, 고온의 환경에 노출되거나 또는 오작동 등에 의하여 전지팩을 구성하는 전지셀에서 내부 단락이 발생하면, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고, 그로 인해 가스가 다량 발생하여 결국 내압의 증가로 전지케이스가 파열되어 전지셀 외부로 배출된다.

그러나, 이러한 내부 가스는 수분 침투를 방지할 수 있도록, 밀폐된 구조로 형성된 전지팩 내부의 압력을 상승시키며, 이에 따라, 상기 가스는 전지팩의 폭발을 일으키는 요인으로 작용할 수 있다.

이에 대해, 본 발명에 따른 전지팩은 상기 커버 부재의 일 측면에 내부의 가스를 배출하기 위한 벤팅부가 형성되어 있어, 전지팩 내부의 압력이 상승함으로써, 전지팩의 안전성이 저하되는 문제점을 예방할 수 있다.

이때, 상기 벤팅부는 커버 부재의 일 측면에 천공된 둘 이상의 관통 홀들을 포함하고 있고, 상기 관통 홀들은 미세 다공성 가스 투과막에 의해 덮여 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상기 벤팅부는 전지팩 내부에서 발생한 가스를 외부로 배출함으로써, 상기 가스에 의한 전지팩 내부 압력의 증가를 방지할 수 있는 동시에, 전지팩의 외부로부터 유입되는 수분의 침투를 방지함으로써, 전지팩의 전체적인 안전성을 향상시킬 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지팩은 전지모듈들을 냉각하기 위한 냉각 부재를 더 포함하는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 냉각 부재는,

외부로부터 액상 냉매가 유입되는 냉매 유입 유로;

상기 냉매 유입 유로를 통해 유입된 액상 냉매가 열교환에 의해 전지모듈들을 냉각할 수 있도록, 상기 냉매 유입 유로에 연결된 상태에서, 전지모듈들과 베이스 플레이트의 상면 사이에 개재되어 있는 중공 판상형 구조의 히트 싱크; 및

상기 히트 싱크에서 전지모듈들에 대한 열교환을 달성한 액상 냉매를 배출하기 위한 냉매 배출 유로;

를 포함하고 있는 구조일 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지팩은 액상 냉매를 사용하여, 전지팩을 냉각하는 수냉식 냉각 구조로 이루어진 냉각 부재를 포함하며, 상기 냉각 부재는 냉매 유입 유로를 통해 유입된 액상 냉매가 중공 판상형 구조의 히트 싱크에서 열교환에 의해 전지모듈들을 냉각하며, 상기 열교환을 달성한 액상 냉매가 냉매 배출 유로를 통해 외부로 배출되는 구조로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 중공 판상형 구조의 히트 싱크는, 상세하게는, 판상형 구조로 이루어진 판재 사이에 중공 구조의 냉매 유로가 형성된 구조로서, 전지모듈들과 베이스 플레이트의 상면 사이에 개재됨으로써, 전지팩 내에서 상대적으로 좁은 공간을 차지하는 동시에, 상기 전지모듈들에 대한 냉각 효율을 극대화시킬 수 있다.

또한, 상기 냉매 유입 유로에는 유입되는 액상 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 장착되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상기 냉각 부재로 유입되는 냉매의 온도를 보다 용이하게 측정하고 감시함으로써, 전지팩의 안정적인 냉각 상태를 유지할 수 있다.

한편, 상기 전지모듈들은 서로 인접한 일측 단부 및 타측 단부에 전기적 연결을 위한 모듈 단자들이 각각 형성되어 있으며, 상기 모듈 단자들은 각각 버스 바에 의해 연결되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 전지팩을 구성하는 전지모듈들은 상호간의 전기적 연결을 위한 모듈 단자들을 포함하고 있다.

이러한 경우에, 상기 각 전지모듈들의 모듈 단자들은 각각 서로 인접한 일측 단부 및 타측 단부에 위치해 있으며, 이에 따라, 상기 모듈 단자들은 보다 작은 크기를 갖는 버스 바에 의해 보다 간단하게 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 따라, 전지팩의 전체적인 연결 구조를 보다 간소화시킬 수 있다.

또한, 상기 모듈 단자들과 버스 바가 연결되는 부위에는, 연결 부위를 보호하기 위한 절연성 캡 부재가 모듈 단자들과 버스 바를 덮는 구조로 장착되어 있는 구조일 수 있다.

따라서, 상기 모듈 단자들과 버스 바가 외부로부터 유입된 수분 또는 냉각 부재로부터 유출된 액상의 냉매와 접촉됨으로써 발생할 수 있는 내부 단락 등의 문제점을 예방할 수 있으며, 침상 관통과 같은 외부의 자극에 대해, 보다 안전하게 보호됨으로써, 안정적인 전기적 연결 상태를 유지할 수 있다.

이때, 상기 절연성 캡 부재는 상기 효과를 용이하게 발휘할 수있는 소재라면, 그 종류가 크게 제한되는 것은 아니며, 상세하게는, 전기 절연성의 플라스틱 수지 또는 고무로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 절연성 캡 부재는 탈착 가능한 구조로 이루어질 수도 있으며, 이에 따라, 전지팩에 대한 수리 또는 점검 시에 보다 용이하게 분리 및 결합되거나 교환됨으로써, 상기 수리 및 점검에 소요되는 시간을 효과적으로 절약할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지모듈들 각각은 12개 내지 24개의 전지셀들을 포함하고 있는 구조일 수 있으며, 상세하게는, 상기 전지모듈들 각각을 구성하는 전지셀들의 수량은 전지팩이 소망하는 전기적 성능을 발휘할 수 있는 범위에서, 전지팩의 크기, 용량 및 형상을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

만일, 상기 전지모듈들 각각을 구성하는 전지셀들의 수량이 12개 미만일 경우에는, 소망하는 수준의 전기적 특성을 발휘하기 위해 소요되는 전지모듈들의 수량이 지나치게 많아져, 전기적 연결 구조가 복잡해질 수 있으며, 이와 반대로, 상기 전지모듈들 각각을 구성하는 전지셀들의 수량이 24개를 초과할 경우에는, 디바이스 내에서 제한된 크기의 탑재 공간에 탑재되기 위한 전지팩의 크기를 구성하는데 제한이 발생할 수 있고, 상기 제한된 크기의 전지팩을 높은 집적도로 형성할 수 없어, 소망하는 전기적 용량을 발휘하지 못할 수 있는 문제점이 있다.

또한, 상기 전지모듈들을 구성하는 전지셀들의 수량은 모두 동일한 구조일 수 있다.

따라서, 상기 전지팩을 구성하는 전지모듈들을 각각 별도로 제작할 필요가 없으므로, 전지팩의 제조에 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.

일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 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 Li_1+xMn_2-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 LiNi_1-xM_xO₂ (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 LiMn_2-xM_xO₂ (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; Li_xFe₂O₃(0≤x≤1), Li_xWO₂(0≤x≤1), Sn_xMe_1-xMe'_yO_z (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 분리막 및 분리필름은 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 ~ 130 ㎛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.

또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.

상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.

이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.

또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.

리튬염 함유 비수 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 포함하고 있는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 전지팩은 자동차와 같은 디바이스의 전원으로서 사용될 수 있으며, 이러한 경우에, 상기 디바이스 내에서 전지팩은 베이스 플레이트의 제 1 플레이트에 대응되는 부위가 자동차의 후미 하부에 위치하도록 탑재되어 있는 구조일 수 있다.

상기 구조에 따라, 제 1 플레이트의 제 2 전지모듈군 상에서, 커버 부재의 개구를 통해 외부로 노출되어 있는 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스는 자동차의 뒷좌석 부위에 위치할 수 있으며, 전지팩에 대한 수리 또는 점검 시에 작업자는, 상기 뒷좌석 부위를 개방함으로써, 보다 용이하게 상기 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스에 도달해, 상기 전지팩의 전기적 연결을 단전시킬 수 있다.

또한, 상기 구조에 따라, 제 1 플레이트에 연결되어 있는 제 2 플레이트는 자동차의 중앙 하부에 위치하도록 탑재될 수 있다.

따라서, 상기 전지팩은 자동차의 트렁크와 같은 내부 공간에 탑재되지 않으므로, 상기 내부 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있으며, 상기 제 1 플레이트와 제 2 플레이트의 연결 구조 및 전지모듈들을 구성하는 전지셀들의 배열 방향을 다양하게 구성함으로써, 자동차와 같은 디바이스에서의 탑재 위치에 대한 제한을 없애거나, 최소화할 수 있다.

한편, 상기 디바이스 내에서 전지팩은 자동차의 실내와 격리된 구조로 탑재되어 있는 구조일 수 있다.

앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 전지팩이 고온의 환경에 노출되거나 또는 오작동을 일으키는 경우, 상기 전지팩을 구성하는 전지셀에서 내부 단락이 발생하면, 양극 계면에서 전해액의 분해 반응이 일어나게 되고, 그로 인해 가스가 다량 발생하여 결국 내압의 증가로 전지케이스가 파열되어 전지셀 외부로 배출된다.

일반적으로 이러한 내부 가스는 일산화탄소 등과 같은 인체에 해로운 유독 성분을 포함하고 있어, 안전성에 관한 문제가 유발된다.

반면에, 본 발명에 따른 전지팩은 디바이스 내에서 자동차의 실내와 격리된 구조로 탑재됨으로써, 상기 내부 가스가 자동차의 실내로 유입되는 현상을 방지하고, 이에 따른 안전성의 문제를 해소할 수 있다.

상기와 같은 디바이스 내지 장치들의 기타 구성은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지셀들의 배열 방향이 상이한 구조의 전지모듈들을 포함하도록 구성함으로써, 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 있으며, 제한된 공간에서, 전지팩에 대한 수리 또는 점검을 보다 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 베이스 플레이트 상에 전지모듈들이 탑재된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 도 1의 냉각 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 3은 도 1의 전지모듈들 상에 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스와 BMS가 장착된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 4는 도 3의 제 3 전지모듈군의 모듈 단자들의 연결 구조를 확대하여 나타낸 모식도이다;
도 5는 도 3의 전지모듈들을 내장한 상태로 커버 부재가 결합된 전지팩의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 베이스 플레이트 상에 전지모듈들이 탑재된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1의 냉각 부재의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 베이스 플레이트(110)는 평면상으로 각각 직사각형 구조로 이루어진 제 1 플레이트(111) 및 제 2 플레이트(112)로 구성되어 있으며, 제 2 플레이트(112)는 제 1 플레이트(111)의 외주변들 중에서 상대적으로 긴 길이를 갖는 일측 외주변의 중앙 부위에 연결되어 있다.

베이스 플레이트(110)의 외주변에는 체결부재를 통해 커버 부재와 결합되는 복수의 제 1 체결공(113)과 전지팩(100)을 디바이스에 장착 및 고정하기 위한 복수의 제 2 체결공(114)이 형성되어 있다.

전지모듈군들(121, 122, 123, 124)은 전지셀들의 배열 방향이 제 1 플레이트(111)에 대한 제 2 플레이트(112)의 연결 방향에 수직인 제 1 전지모듈군(121)과 제 2 전지모듈군(122), 및 전지셀들의 배열 방향이 제 1 플레이트(111)에 대한 제 2 플레이트(112)의 연결 방향에 평행한 제 3 전지모듈군(123)과 제 4 전지모듈군(124)으로 구성되어 있다.

제 1 전지모듈군(121)은 제 2 플레이트(112)의 상에 탑재되어 있고, 제 2 전지모듈군(122)은 제 1 전지모듈군(121)에 대향하는 위치에서 제 1 플레이트(111) 상에 탑재되어 있다.

제 3 전지모듈군(123)과 제 4 전지모듈군(124)은 제 2 전지모듈군(122)의 양측에 상호 분리 배열된 상태로, 제 1 플레이트(111)의 양측 단부에 각각 탑재되어 있다.

제 1 전지모듈군(121)과 제 2 전지모듈군(122)은 하나의 전지모듈로 이루어져 있으며, 제 3 전지모듈군(123)과 제 4 전지모듈군(124)은 각각 3개의 전지모듈들(123a, 123b, 123c, 124a, 124b, 124c)이 인접 배열되어 이루어진 전지모듈 어셈블리로 구성되어 있다.

전지모듈군들(121, 122, 123, 124)과 베이스 플레이트(110)의 상면 사이에는 냉각 부재(130)가 개재되어 있다.

도 2를 참조하면, 냉각 부재(130)는 냉매 유입 유로(131), 히트 싱크(132) 및 냉매 배출 유로(133)를 포함하고 있으며, 전체적으로 베이스 플레이트(110)의 형상에 대응하여, 평면상으로 'T' 자 형상으로 구성되어 있다.

냉매 유입 유로(131)는 제 2 플레이트(112) 상에 탑재된 제 1 전지모듈군(121)의 일측에 위치하며, 외부로부터 유입되는 액상 냉매를 히트 싱크(132)로 이송한다.

히트 싱크(132)는 각각의 전지모듈군들(121, 122, 123, 124)을 냉각하기 위한 제 1 히트 싱크부(132a), 제 2 시트 싱크부(132b), 제 3 히트 싱크부(132c), 및 제 4 히트 싱크부(132d)로 구성되어 있다.

각 히트 싱크부들(132a, 132b, 132c, 132d)은 중공 판상형 구조로 이루어져 있으며, 냉매 유입 유로(131)에 연결된 상태에서, 전지모듈군들(121, 122, 123, 124)과 베이스 플레이트(110)의 상면 사이에 개재된다.

따라서, 냉매 유입 유로(131)를 통해 유입된 액상 냉매는 중공 판상형 구조의 히트 싱크(132) 내에서 순환됨으로써, 열교환에 의해, 상면에 위치한 전지모듈군들(121, 122, 123, 124)을 냉각할 수 있다.

냉매 배출 유로(133)는 냉매 유입 유로(131)에 대향하는 제 1 전지모듈군(121)의 타측에 위치하며, 히트 싱크(132)에서 전지모듈군들(121, 122, 123, 124)에 대한 열교환을 달성한 액상 냉매를 외부로 배출한다.

냉매 유입 유로(131)에는 유입되는 액상 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(134)가 장착되어 있다.

따라서, 냉매 유입 유로(131)를 통해 유입되는 액상 냉매의 온도를 지속적으로 감지함으로써, 냉각 성능의 저하 및 이에 따른 안전성 저하의 문제점을 예방할 수 있다.

도 3에는 도 1의 전지모듈들 상에 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스와 BMS가 장착된 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 제 2 전지모듈군(122) 상에는 매뉴얼 서비스 디바이스(141) 및 퓨즈 박스(142)가 위치해 있다.

따라서, 매뉴얼 서비스 디바이스(141) 및 퓨즈 박스(142)는 각 전지모듈군들(121, 122, 123, 124)과의 거리가 최소화됨으로써, 보다 간소화된 구조로 전지팩(100)을 구성할 수 있다.

제 4 전지모듈군(124) 상에는 전지팩(100)의 전체적인 작동 상태를 제어하기 위한 BMS(151)가 BMS 탑재용 브라켓(152)의 내부에 장착된 상태로 탑재되어 있다.

BMS 탑재용 브라켓(152)은 판상형 구조로 이루어져 있으며, 제 4 전지모듈군(124)의 전지모듈들(124a, 124b, 124c) 중 2개의 전지모듈들(124a, 124b)을 덮는 구조로 결합 및 고정되어 있다.

따라서, BMS 탑재용 브라켓(152)은 전지팩(100) 내에서 BMS(151)의 안정적인 고정 상태를 유지시키는 동시에, 제 4 전지모듈군(124)의 물리적 연결 상태에 대한 기계적 강성을 보완하고, 이를 안정적으로 고정 및 유지시킬 수 있다.

제 2 플레이트(112) 상에서, 제 1 전지모듈군(121)의 전방 부위에는 전지팩(100)을 디바이스와 전기적으로 연결하는 동시에, 전지팩(100)의 이상 시에, 전지팩(100)을 보호하기 위한 전기적 연결 부재 내지 안전 부재들(160)이 위치해 있다.

도 4에는 도 3의 제 3 전지모듈군의 모듈 단자들의 연결 구조를 확대하여 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 제 3 전지모듈군의 전지모듈들(123b, 123c)은 서로 인접한 단부에 전기적 연결을 위한 모듈 단자들(123b', 123c')이 각각 형성되어 있다.

모듈 단자들(123b', 123c')은 버스 바(170)에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 모듈 단자들(123b', 123c')과 버스 바(170)가 연결되는 부위에는, 연결 부위를 보호하기 위한 절연성 캡 부재(180)가 장착되어 있다.

절연성 캡 부재(180)는 일면이 개방된 상태에서, 만입된 구조로 이루어진 내부에 모듈 단자들(123b', 123c')과 버스 바(170)의 연결 부위가 수납되는 수납부(181) 및 수납부(181)의 개방된 일면을 덮는 캡 부(182)를 포함하고 있다.

따라서, 모듈 단자들(123b', 123c')과 버스 바(170)가 외부로부터 유입된 수분 또는 냉각 부재로부터 유출된 액상의 냉매와 접촉됨으로써 발생할 수 있는 내부 단락 등의 문제점을 예방할 수 있으며, 침상 관통과 같은 외부의 자극에 대해, 보다 안전하게 보호됨으로써, 전지모듈들(123b, 123c)의 안정적인 전기적 연결 상태를 유지할 수 있다.

캡 부(182)는 일측 외주변이 이에 인접한 수납부(181)의 일측 외주변에 힌지 구조로 연결되어 있으며, 후크 구조에 의해 수납부(181)의 일면을 덮는 구조로서, 모듈 단자들(123b', 123c')과 버스 바(170)의 연결 부위에 대해 탈착 가능한 구조로 이루어져 있으며, 이에 따라, 전지팩에 대한 수리 또는 점검 시에 보다 용이하게 분리 및 결합되거나 교환됨으로써, 이에 소요되는 시간을 효과적으로 절약할 수 있다.

도 5에는 도 3의 전지모듈들을 내장한 상태로 커버 부재가 결합된 전지팩의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 커버 부재(190)는 전지모듈들을 내장한 상태로, 복수의 체결 부재(115)에 의해 베이스 플레이트(110)의 외주변에 결합되어 있다.

커버 부재(190)의 외주면에는 강성을 보완하기 위한 다수의 비드(191)가 형성되어 있다.

따라서, 다양한 디바이스의 작동 환경에서, 외부로부터 인가되는 물리적 충격 내지 응력에 대해, 전지팩(100) 내의 전지모듈들을 보다 효과적으로 안전하게 보호할 수 있다.

커버 부재(190)의 일 측면에는 내부의 가스를 배출하기 위한 벤팅부(193)가 형성되어 있다.

벤팅부(193)는 커버 부재(190)의 일 측면에 천공된 관통 홀(193a)이 미세 다공성 가스 투과막(193b)에 의해 덮여 있는 구조로 이루어져 있다.

매뉴얼 서비스 디바이스(141) 및 퓨즈 박스에 대응하는 위치에서 커버 부재(190)의 부위에는 개구(192)가 형성되어 있으며, 매뉴얼 서비스 디바이스(141)는 커버 부재(190)의 개구(192)를 통해 외부로 노출되어 있다.

따라서, 전지팩(100)에 대한 수리 또는 점검 시에 작업자는, 전지팩(100)의 커버 부재(190)를 분해할 필요 없이, 커버 부재(190)의 개구(192)를 통해 노출된 매뉴얼 서비스 디바이스(141) 및 퓨즈 박스에 의해 전지팩(100)의 전기적 연결을 단전시킬 수 있으며, 이에 따라, 커버 부재(190)를 분리하는 경우 발생할 수 있는 전기적 안전 사고를 사전에 효과적으로 예방할 수 있다.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (29)

1. 각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈들;
   상기 전지모듈들이 상면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 및
   상기 전지모듈들을 내장한 상태로 베이스 플레이트의 외주변에 결합된 커버(cover) 부재;
   를 포함하고 있고,
   상기 전지모듈들 중에서 적어도 하나 이상의 전지모듈은 전지셀들의 배열 방향이 다른 전지모듈과 상이한 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는 평면상으로 각각 직사각형 구조로 이루어진 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트를 포함하고 있으며, 상기 제 2 플레이트는 제 1 플레이트의 외주변들 중에서 상대적으로 긴 길이를 갖는 일측 외주변에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 플레이트는 제 1 플레이트의 외주변들 중에서 상대적으로 긴 길이를 갖는 일측 외주변의 중앙 부위에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 제 1 전지모듈 집합체 및 제 2 전지모듈 집합체로 구분되어 있고, 상기 제 1 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향과 제 2 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 전지모듈 집합체는, 제 2 플레이트의 상에 탑재되어 있는 제 1 전지모듈군과, 상기 제 1 전지모듈군에 대향하는 위치에서 제 1 플레이트 상에 탑재되어 있는 제 2 전지모듈군으로 구성되어 있고;
   상기 제 2 전지모듈 집합체는, 제 1 전지모듈 집합체의 제 2 전지모듈군의 양측에 상호 분리 배열된 상태로, 제 1 플레이트 상에 각각 탑재되어 있는 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향은 제 1 플레이트에 대한 제 2 플레이트의 연결 방향에 수직이고, 상기 제 2 전지모듈 집합체에 속하는 전지셀들의 배열 방향은 제 1 플레이트에 대한 제 2 플레이트의 연결 방향에 평행한 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 사이의 이격 간격은, 제 1 플레이트의 외주변에 접하는 제 2 플레이트의 외주변 폭에 대해 50% 내지 150%의 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 전지모듈군과 제 4 전지모듈군 각각은 둘 이상의 전지모듈들로 이루어져 있고, 각각의 전지모듈군에서 전지모듈들은 인접 배열되어 전지모듈 어셈블리를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는 전지셀들의 배열 방향에 평행한 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
10. 제 5 항에 있어서, 매뉴얼 서비스 디바이스(manual service device) 및 퓨즈 박스(fuse box)가 상기 제 1 전지모듈 집합체의 제 2 전지모듈군 상에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스에 대응하는 위치에서 커버 부재의 부위에는 개구가 형성되어 있으며, 상기 매뉴얼 서비스 디바이스는 커버 부재의 개구를 통해 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
12. 제 10 항에 있어서, 전지팩에 대한 수리 또는 점검 시에 작업자는, 커버 부재의 개구를 통해, 매뉴얼 서비스 디바이스 및 퓨즈 박스에 의해 전지팩의 전기적 연결을 단전시키는 것을 특징으로 하는 전지팩.
13. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 전지모듈군 또는 제 4 전지모듈군 상에는, BMS(battery management system)가 탑재되기 위한 BMS 탑재용 브라켓(bracket)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 BMS 탑재용 브라켓은 판상형 구조로 이루어져 있고, 제 1 전지모듈 집합체를 구성하는 전지모듈들 또는 상기 전지모듈들로 이루어진 전지모듈 어셈블리의 적어도 일부를 덮는 구조로 결합 및 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 부재의 일 측면에는 내부의 가스를 배출하기 위한 벤팅부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 벤팅부는 커버 부재의 일 측면에 천공된 둘 이상의 관통 홀들을 포함하고 있고, 상기 관통 홀들은 미세 다공성 가스 투과막에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전지모듈들을 냉각하기 위한 냉각 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 냉각 부재는,
    외부로부터 액상 냉매가 유입되는 냉매 유입 유로;
    상기 냉매 유입 유로를 통해 유입된 액상 냉매가 열교환에 의해 전지모듈들을 냉각할 수 있도록, 상기 냉매 유입 유로에 연결된 상태에서, 전지모듈들과 베이스 플레이트의 상면 사이에 개재되어 있는 중공 판상형 구조의 히트 싱크; 및
    상기 히트 싱크에서 전지모듈들에 대한 열교환을 달성한 액상 냉매를 배출하기 위한 냉매 배출 유로;
    를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 냉매 유입 유로에는 유입되는 액상 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
20. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들은 서로 인접한 일측 단부 및 타측 단부에 전기적 연결을 위한 모듈 단자들이 각각 형성되어 있으며, 상기 모듈 단자들은 각각 버스 바에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 모듈 단자들과 버스 바가 연결되는 부위에는, 연결 부위를 보호하기 위한 절연성 캡 부재가 모듈 단자들과 버스 바를 덮는 구조로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 절연성 캡 부재는 전기 절연성의 플라스틱 수지 또는 고무로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
23. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들 각각은 12개 내지 24개의 전지셀들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
24. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈들을 구성하는 전지셀들의 수량은 모두 동일한 것을 특징으로 하는 전지팩.
25. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
26. 제 1 항에 따른 전지팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 디바이스 내에서 전지팩은 베이스 플레이트의 제 1 플레이트에 대응되는 부위가 자동차의 후미 하부에 위치하도록 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.
29. 제 27 항에 있어서, 상기 디바이스 내에서 전지팩은 자동차의 실내와 격리된 구조로 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 디바이스.

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