KR20170082256A - 탄력적인 결합 구조의 멀티 패널을 포함하는 전지팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원의 공급을 위해 디바이스에 장착되는 전지팩으로서, 각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈 어셈블리들(battery module assembly); 상기 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 일면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate); 상기 전지모듈 어셈블리들을 감싸면서 베이스 플레이트의 일면 상에 결합되고, 하기 멀티 패널의 일면이 노출되는 개구가 형성되어 있는 패널 하우징이 일측에 결합되어 있는 팩 커버(pack cover); 및 상기 전지모듈 어셈블리들에 연결되어 있는 외부 입출력 단자와 냉매의 유입구 및 배출구가 노출되도록 장착되고, 베이스 플레이트에 탄력적인 결합 구조로 체결되어 있는 멀티 패널(Multi Panel);을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

탄력적인 결합 구조의 멀티 패널을 포함하는 전지팩 {Battery Pack Having Multi Panel of Flexible Coupling Structure}

본 발명은 탄력적인 결합 구조의 멀티 패널을 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.

이러한 경우에, 상기 전지팩이 자동차와 같은 다양한 환경에 노출되는 디바이스 또는 시스템의 동력원으로 사용되기 위해서는 다양한 환경에 따른 외부 물질의 유입과 외부 충격과 같은 자극에 대해, 전기적 및 구조적 안정성을 유지하고, 다양한 습도 및 온도에서 전지팩의 안전성을 확보할 수 있어야 한다.

이에 따라, 자동차의 동력원으로서 이용되는 일부 전지팩은 탑재 공간을 용이하게 확보하고, 외부 물질의 유입 및 외부의 충격, 습도와 같은 다양한 요인에 의한 자극을 감소시킬 수 있도록, 차량의 트렁크 내지 좌석의 일부와 같은 내부 공간에 탑재한다. 또한, 차량 내부의 사용 공간을 추가로 확보하기 위해 전지팩을 차량 하부에 노출되어 장착하는 구조도 최근 많은 업체에서 시도하고 있다. 이와 같은 전지팩은 전지팩이 차량 외부로 노출되므로 밀봉성 및 수밀성을 담보할 수 있는 구조로 설계된다.

그러나, 전지팩은 자동차에 전력을 공급하기 위해서, 외부 입출력 단자 또는 커넥터를 통해 자동차에 연결되어 있고, 전지의 충방전 과정에서 발생하는 열을 냉각할 수 있도록 냉매가 유출입되는 유출구 및 배출구가 자동차 방향으로 연결되어 있다. 이와 같은 전지팩과 자동차의 연결 부위는 종래에는 알루미늄 다이 캐스팅 공법을 통해 멀티 판넬(Multi Panel)을 전지팩의 커버에 장착하는 구조로 이루어 졌으나, 이는 공차에 의해 팩 커버와 멀티 판넬 사이에 유격이 발생할 수 있으므로, 전지팩 외부로부터 수분 또는 외부 물질이 유입되는 문제가 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.

구체적으로, 본 발명의 목적은, 자동차와 같은 디바이스의 하부에 전지팩이 장착되는 경우, 전지팩과 디바이스 간의 외부로 노출된 연결 부위에 수분과 같은 외부 물질이 유입되지 않도록 밀봉성 및 수밀성을 향상시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은,

전원의 공급을 위해 디바이스에 장착되는 전지팩으로서,

각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈 어셈블리들(battery module assembly);

상기 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 일면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate);

상기 전지모듈 어셈블리들을 감싸면서 베이스 플레이트의 일면 상에 결합되고, 하기 멀티 패널의 일면이 노출되는 개구가 형성되어 있는 패널 하우징이 일측에 결합되어 있는 팩 커버(pack cover); 및

상기 전지모듈 어셈블리들에 연결되어 있는 외부 입출력 단자와 냉매의 유입구 및 배출구가 노출되도록 장착되고, 베이스 플레이트에 탄력적인 결합 구조로 체결되어 있는 멀티 패널(Multi Panel);

을 포함하고 있을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 멀티 패널이 패널 하우징 및 베이스 플레이트에 탄력적인 결합 구조로 체결됨으로써, 전지팩과 디바이스 간의 외부로 노출된 연결 부위에 수분과 같은 외부 물질이 유입되지 않도록 밀봉성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 멀티 패널은 평면상으로 사각형 형상으로 이루어져 있고, 상기 패널 하우징의 개구는 멀티 패널의 사각형 일면이 노출되는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 상기 멀티 패널과 패널 하우징의 개구는 상호 대응하는 형상으로 이루어져 있을 수 있어서, 상기 멀티 패널이 패널 하우징의 개구에 장착된 상태에서 밀봉성이 담보될 수 있다.

상기 멀티 패널의 구체적인 실시예로서, 상기 멀티 패널은,

상기 패널 하우징의 개구에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 외주변이 개구의 내주변에 중첩된 상태로 장착되는 패널부; 및

상기 패널부의 하단으로부터 외향 연장되어 있고, 다중 절곡 구조로 이루어져 있으며, 베이스 플레이트에 결합되는 하나 이상의 체결부;

를 포함하고 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

하나의 실시예에서, 상기 체결부는 패널부의 하단으로부터 각각 하향 연장되어 있는 제 1 체결부 및 제 2 체결부로 이루어져 있을 수 있다.

구체적인 실시예에서, 상기 체결부의 다중 절곡 구조는,

상기 패널부의 하단으로부터 돌출 연장된 후 제 1 방향으로 절곡되어 있는 제 1 절곡부;

상기 제 1 절곡부로부터 연장되어 있고 제 1 방향에 대향하는 제 2 방향으로 절곡되어 있는 제 2 절곡부; 및

상기 제 2 절곡부로부터 연장되어 있고 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직인 방향으로 하향 절곡되어 있는 제 3 절곡부;

로 이루어져 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 제 1 방향은 전지팩 내부로 향하는 방향을 의미할 수 있고, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향에 대향하여 전지팩 외부로 향하는 방향을 의미할 수 있으며, 상기 제 3 방향은 상기 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직하여 상기 베이스 플레이트로 향하는 방향을 의미할 수 있다.

상기 멀티 패널의 하나의 실시예에서, 상기 멀티 패널은 금속판으로 이루어져 있을 수 있고, 외부 입출력 단자들과 냉매의 유입구 및 배출구를 위한 관통구들이 천공되어 있을 수 있다.

상기 외부 입출력 단자들은 하나 이상 형성되어 있을 수 있다.

상기 체결부의 구체적인 실시예에서, 상기 체결부의 일단에는 체결구가 천공되어 있을 수 있고, 상기 베이스 플레이트에는 상기 체결구에 삽입되는 체결 돌기가 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 체결부의 체결구에 상기 베이스 플레이트의 체결구가 삽입되어, 멀티 패널 및 베이스 플레이트가 결합되고, 체결부의 형성되어 있는 다중 절곡 구조에 의해 멀티 패널은 탄력적으로 베이스 플레이트 및 팩 하우징에 장착될 수 있어, 전지팩의 밀봉성 및 수밀성을 담보할 수 있다.

상기 패널 하우징과 상기 멀티 패널의 패널부의 하나의 결합 구조의 예로서, 상기 패널 하우징의 개구 내주변에는 복수의 제 1 체결홈들이 천공되어 있을 수 있고, 상기 패널부의 외주변에는 상기 제 1 체결홈들에 대응하는 위치에 복수의 제 2 체결홈들이 천공되어 있을 수 있으며, 상기 제 1 체결홈들 및 제 2 체결홈들에 나사 또는 볼트들이 삽입되어, 패널 하우징의 개구에 패널부가 결합되는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

또한, 상기 패널부의 외주변과 패널 하우징의 개구 내주변 사이에는 가스켓(gasket)이 개재되어 있을 수 있다. 상기 가스켓에 의해 상기 패널부와 상기 패널 하우징 사이에 발생할 수 있는 공차에 따른 유격을 제거할 수 있으므로 전지팩의 밀봉성 및 수밀성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 가스켓의 구체적인 예로서, 상기 가스켓은 패널부의 외주변과 패널 하우징의 개구 내주변 사이를 연결하는 일 단위의 선형 부재로 이루어져 있을 수 있고, 개구의 제 1 체결홈들과 패널부의 제 2 체결홈들에 대응하는 위치에는 삽입구들이 천공되어 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 가스켓의 소재는 합성 고무, 천연 고무, 실리콘 수지, 및 PVC(Polyvinyl Chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

더욱 구체적으로, 상기 합성고무는 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 부타디엔 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌프리필렌 고무, 다황화물계 고무, 실리콘 고무, 플루오로계 고무, 우레탄 고무, 및 아크릴 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 팩 커버는, 전지모듈 어셈블리들이 외관상으로 상호 구분되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 구조로 이루어져 있을 수 있다.

구체적으로, 상기 전지모듈 어셈블리들은 3 단위의 전지모듈 어셈블리들로 이루어져 있을 수 있고, 상기 팩 커버는 제 1 전지모듈 어셈블리의 상면에 대응하는 형상의 제 1 커버부와, 제 2 전지모듈 어셈블리 및 BMS의 상면에 대응하는 형상의 제 2 커버부와, 제 3 전지모듈 어셈블리의 상면에 대응하는 형상의 제 3 커버부로 이루어져 있을 수 있다. 상기 제 2 커버부는 제 1 커버부 및 제 3 커버부 사이에 위치하는 구조로 이루어져 있을 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 패널 하우징은 상기 제 2 커버부의 전면 또는 후면에 장착되어 있을 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 베이스 플레이트의 일면에는 각각의 전지모듈 어셈블리들이 탑재되기 위한 탑재 공간이 만입된 구조로 형성되어 있을 수 있다.

상기 전지모듈 어셈블리 탑재 공간이 만입된 깊이는 전지모듈 어셈블리의 유동을 방지할 수 있도록, 전지모듈 어셈블리의 탑재 방향에 대응하는 높이를 기준으로 5% 내지 50%의 크기로 형성되어 있을 수 있다.

만일, 상기 전지모듈 어셈블리 탑재 공간이 만입된 깊이가 전지모듈 어셈블리의 탑재 방향에 대응하는 높이를 기준으로 5% 미만의 크기로 형성될 경우에는, 각각의 전지모듈 어셈블리가 안정적인 탑재 상태를 유지하지 못할 수 있다.

이와 반대로, 상기 전지모듈 어셈블리 탑재 공간이 만입된 깊이가 전지모듈 어셈블리의 탑재 방향에 대응하는 높이를 기준으로 50%를 초과하는 크기로 형성될 경우에는, 디바이스의 전지팩 탑재부로부터 이에 대향하는 베이스 플레이트의 타면까지의 길이가 지나치게 커질 수 있으며, 이에 따라, 전지팩이 탑재될 수 있는 공간 및 위치에 제약이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

한편, 각각의 전지모듈 어셈블리는 일측 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있으며, 상기 전지모듈 어셈블리들은 상대적으로 큰 크기로 이루어진 외주변이 서로 대면하는 상태로 베이스 플레이트 상에 탑재되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 각각의 전지모듈 어셈블리는 복수의 전지셀들이 배열되어 형성되며, 이러한 경우에, 상기 전지모듈 어셈블리는 전지셀들의 전기적 연결 구조 형성의 용이성, 차량의 제한된 탑재 공간에 대한 적용의 용이성 등을 고려하여, 직육면체 구조로 형성될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 하나의 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지셀들은 각각 직렬로 연결되어 있고, 모듈 어셈블리 집합체를 구성하는 각각의 전지모듈 어셈블리들은 병렬로 연결되어 있는 구조일 수 있다.

더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 전지팩은 자동차와 같은 디바이스에 장착되어, 전원을 공급하는 역할을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 상기 자동차에 대한 전원의 공급이 갑작스럽게 차단될 경우에는, 큰 사고로 이어질 가능성이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지팩은 하나의 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지셀들은 각각 직렬로 연결됨으로써, 소망하는 전기적 특성을 발휘하는 동시에, 모듈 어셈블리 집합체를 구성하는 각각의 전지모듈 어셈블리들은 병렬로 연결됨으로써, 일부의 전지모듈 어셈블리에 이상이 발생하더라도, 나머지 전지모듈 어셈블리에 의해, 디바이스에 대한 전원 공급 상태를 유지할 수 있고, 이에 따라, 디바이스에 대한 전원이 갑작스럽게 차단됨으로써, 상기 디바이스의 작동이 정지되는 현상을 방지할 수 있으며, 이로 인한 안전 사고의 발생을 효과적으로 예방할 수 있다.

또한, 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 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그인 하이브리드 전기자동차로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

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, 멀티 패널이 패널 하우징 및 베이스 플레이트에 탄력적인 결합 구조로 체결됨으로써, 전지팩과 디바이스 간의 외부로 노출된 연결 부위에 수분과 같은 외부 물질이 유입되지 않도록 밀봉성 및 수밀성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈의 분해도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도이다;
도 4는 도 3의 전지팩의 상면도이다;
도 5은 도 3의 팩 커버가 제거된 전지팩의 측면도이다;
도 6은 도 4의 "A-A"의 수직 단면도이다;
도 7은 도 3의 멀티 패널의 사시도이다;
도 8은 도 3의 또 하나의 실시예에 따른 멀티 패널의 사시도이다.

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 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지모듈의 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전지모듈(110)은 전지셀(10), 카트리지(20), 냉각 부재(30), 완충 부재(40), 절연 부재(50), 엔드 플레이트(60), 버스 바 어셈블리(80) 및 냉각 매니폴드(90)로 이루어져 있다.

전지셀(10)은 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트의 케이스에 전극 적층체를 내장한 후 외주면을 실링한 구조의 파우치형 전지셀로서, 일변에 양극 단자(11) 및 음극 단자(12)가 동일선 상에 형성되어 있다.

카트리지(20)의 중앙 부위에는 전지셀들(10)을 장착하기 위한 전지셀 수납부(22)가 형성되어 있고, 2개의 전지셀들(10)이 그 사이에 냉각 부재(30)가 개재된 상태로 전지셀 수납부(21)의 전면 및 후면 양 방향에 장착된다.

이와 같이, 전지셀(10) 및 냉각 부재(30)가 장착된 복수의 카트리지(20)는 전지셀(10)의 측면이 접하는 방향으로 배열되고, 최외곽에 위치에 전지셀들(10)에는 완충 부재(40)가 장착되고, 완충 부재(40)에는 절연 부재(50)가 덧대어지며, 마지막으로 절연 부재(50) 위로 엔드 플레이트(60)가 장착된다.

카트리지(20), 절연 부재(50) 및 엔드 플레이트(60) 각각의 4개의 모서리에는 체결구들(21, 51, 61)이 형성되어 있고, 상기한 바와 같이 배열된 전지모듈(110)을 이루는 부재들은 체결구들(21, 51, 61)에 체결 볼트(70)가 삽입되어 이들 부재들이 결합 및 고정되는 구조로 이루어져 있다.

이와 같이 연결된 전지셀들(10)의 상단에는 버스 바 어셈블리(80)가 장착되고, 버스 바 어셈블리(80)는 전지셀들(10)을 직렬 및/또는 병렬로 연결하고, 전압을 검출하고 안전 소자를 구비하여 전지모듈(110)이 이상작동하는 경우에 전기 흐름을 차단하는 기능을 수행한다.

전지셀들(10)의 하단에는 냉각 매니폴드(90)가 장착된다. 냉각 매니폴드(90)는 냉각 부재들(30)의 냉매 도관(31)과 연결되어 냉매 도관(31)에 냉매를 흐르게 한다.

이와 같은 전지모듈(110)이 복수 개가 연결되어 전지모듈 어셈블리(도시하지 않음)를 구성한다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전지팩의 상면도가 모식적으로 도시되어 있으며, 도 5에는 도 3의 팩 커버가 제거된 전지팩의 측면도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 3 내지 도 5를 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 전지팩(200)은, 전지모듈 어셈블리(210)들, 베이스 플레이트(220), 팩 커버(230) 및 멀티 패널(240)로 이루어져 있다.

전지모듈 어셈블리(210)는 복수의 전지셀들(10)이 배열되어 있는 전지모듈(110)이 연결되어 이루어져 있고, 전지모듈 어셈블리(210)는 일측 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있다. 전지셀들(10)은 직렬로 연결되어 있고, 각각의 전지모듈 어셈블리(210)들은 병렬로 연결되어 있다.

베이스 플레이트(220)의 상면에는 전지모듈 어셈블리(210)가 탑재되어 있다. 베이스 플레이트(220)의 상면에는 각각의 전지모듈 어셈블리(210)들이 탑재되기 위한 탑재 공간이 만입된 구조로 형성되어 있다.

전지모듈 어셈블리(210) 탑재 공간이 만입된 깊이는 전지모듈 어셈블리(210)의 유동을 방지할 수 있도록, 전지모듈 어셈블리(210)의 탑재 방향에 대응하는 높이를 기준으로 5%의 깊이(d)로 형성되어 있다.

팩 커버(230)는 전지모듈 어셈블리(210)를 감싸면서 베이스 플레이트(220)의 상면 상에 결합되고, 멀티 패널(240)의 일면이 노출되는 개구(232)가 형성되어 있는 패널 하우징(231)이 일측에 결합되어 있다.

팩 커버(230)는 전지모듈 어셈블리(210)들이 외관상으로 상호 구분되도록, 전지모듈 어셈블리(210)들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 구조로 이루어져 있다.

팩 커버(230)는 제 1 커버부(230a), 제 2 커버부(230b) 및 제 3 커버부(230c)로 이루어져 있고, 제 2 커버부(230b)는 제 1 커버부(230a) 및 제 3 커버부(230c) 사이에 위치하고, 패널 하우징(231)은 제 2 커버부(230)b)의 전면에 장착되어 있다.

멀티 패널(240)은 전지모듈 어셈블리(210)에 연결되어 있는 외부 입출력 단자(도시하지 않음)와 냉매의 유입구(도시하지 않음) 및 배출구(도시하지 않음)가 노출되어 장착되어 있고, 베이스 플레이트(220)에 탄력적인 결합 구조로 체결되어 있다.

멀티 패널(240)의 탄력적인 결합 구조는 도 6 및 도 7을 통해 설명하기로 한다.

도 6에는 도 4의 "A-A"의 수직 단면도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 3의 멀티 패널의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다;

도 6 및 도 7을 도 3 내지 도 5와 함께 참조하면, 멀티 패널(240)은 평면상으로 사각형 형상으로 이루어져 있고, 패널 하우징(231)의 개구(232)는 멀티 패널(240)의 사각형 일면이 노출되는 구조로 이루어져 있다.

멀티 패널(240)은 패널부(241) 및 체결부(242)들로 이루어져 있다.

패널부(241)는 패널 하우징(231)의 개구(232)에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 외주변이 개구(232)의 내주변에 중첩된 상태로 장착되어 있다.

체결부(242)들은 패널부(241)의 하단으로부터 하향 연장되어 있고, 다중 절곡 구조로 이루어져 있으며, 베이스 플레이트(220)에 결합되어 있다.

구체적으로, 체결부(242)의 다중 절곡 구조는, 제 1 절곡부(243), 제 2 절곡부(244), 제 3 절곡부(245)로 이루어져 있다.

제 1 절곡부(243)는 전지팩의 내부 방향인 제 1 방향으로 절곡되어 있고, 제 2 절곡부(244)는 제 1 방향에 대향하는 전지팩의 외부 방향으로 절곡되어 있으며, 제 3 절곡부(245)는 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직인 방향인 베이스 플레이트(220) 방향으로 하향 절곡되어 있다.

멀티 패널(240)은 금속판으로 이루어져 있고, 외부 입출력 단자와 냉매의 유입구 및 배출구를 위한 관통구(246)들이 천공되어 있다.

체결부(242)의 하단에는 체결구(247)가 천공되어 있고, 베이스 플레이트(220)에는 체결구(247)에 삽입되는 체결 돌기(221)가 형성되어 있다.

패널 하우징(231)의 개구(232) 내주변에는 복수의 제 1 체결홈들(233)이 천공되어 있고, 패널부(241)의 외주변에는 제 1 체결홈들(233)에 대응하는 위치에 복수의 제 2 체결홈들(248)이 천공되어 있으며, 제 1 체결홈들(233) 및 제 2 체결홈들(248)에 볼트들(도시하지 않음)이 삽입되어, 패널 하우징(231)의 개구(232)에 패널부(241)가 결합된다.

도 8에는 도 3의 또 하나의 실시예에 따른 멀티 패널의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 8을 도 3 및 도 7과 함께 참조하면, 패널부(241)의 외주변과 패널 하우징(231)의 개구(232) 사이에는 가스켓(600)이 개재되어 있다.

가스켓(600)은 패널부(241)의 외주변과 패널 하우징(231)의 개구(232)의 내주변 사이에 연결하는 일 단위의 선형 부재로 이루어져 있고, 개구(232)의 제 1 체결홈들(233)과 패널부(241)의 제 2 체결홈들(248)에 대응하는 위치에 삽입구들(610)이 천공되어 있다.

가스켓 구조를 제외한 나머지는 구조는 도 7의 멀티 패널과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

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

Claims (19)

1. 전원의 공급을 위해 디바이스에 장착되는 전지팩으로서,
   각각 복수의 전지셀들이 배열되어 있는 둘 이상의 전지모듈 어셈블리들(battery module assembly);
   상기 전지모듈 어셈블리들이 소정의 간격을 두고 서로 이격된 상태로 일면에 탑재되는 베이스 플레이트(base plate);
   상기 전지모듈 어셈블리들을 감싸면서 베이스 플레이트의 일면 상에 결합되고, 하기 멀티 패널의 일면이 노출되는 개구가 형성되어 있는 패널 하우징이 일측에 결합되어 있는 팩 커버(pack cover); 및
   상기 전지모듈 어셈블리들에 연결되어 있는 외부 입출력 단자와 냉매의 유입구 및 배출구가 노출되도록 장착되고, 베이스 플레이트에 탄력적인 결합 구조로 체결되어 있는 멀티 패널(Multi Panel);
   을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티 패널은 평면상으로 사각형 형상으로 이루어져 있고, 상기 패널 하우징의 개구는 멀티 패널의 사각형 일면이 노출되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 멀티 패널은,
   상기 패널 하우징의 개구에 대응하는 형상으로 이루어져 있고, 외주변이 개구의 내주변에 중첩된 상태로 장착되는 패널부; 및
   상기 패널부의 하단으로부터 외향 연장되어 있고, 다중 절곡 구조로 이루어져 있으며, 베이스 플레이트에 결합되는 하나 이상의 체결부;
   를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 체결부는 패널부의 하단으로부터 각각 하향 연장되어 있는 제 1 체결부 및 제 2 체결부로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 다중 절곡 구조는,
   상기 패널부의 하단으로부터 돌출 연장된 후 제 1 방향으로 절곡되어 있는 제 1 절곡부;
   상기 제 1 절곡부로부터 연장되어 있고 제 1 방향에 대향하는 제 2 방향으로 절곡되어 있는 제 2 절곡부; 및
   상기 제 2 절곡부로부터 연장되어 있고 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직인 방향으로 하향 절곡되어 있는 제 3 절곡부;
   로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 멀티 패널은 금속판으로 이루어져 있고, 외부 입출력 단자들과 냉매의 유입구 및 배출구를 위한 관통구들이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 체결부의 일단에는 체결구가 천공되어 있고, 베이스 플레이트에는 상기 체결구에 삽입되는 체결 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 패널 하우징의 개구 내주변에는 복수의 제 1 체결홈들이 천공되어 있고, 상기 패널부의 외주변에는 상기 제 1 체결홈들에 대응하는 위치에 복수의 제 2 체결홈들이 천공되어 있으며, 상기 제 1 체결홈들 및 제 2 체결홈들에 나사 또는 볼트들이 삽입되어, 패널 하우징의 개구에 패널부가 결합되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
9. 제 3 항에 있어서 상기 패널부의 외주변과 패널 하우징의 개구 내주변 사이에는 가스켓(gasket)이 개재되어 있는 것을 특징을 하는 전지팩.
10. 제 9 항에 있어서 상기 가스켓은 패널부의 외주변과 패널 하우징의 개구 내주변 사이를 연결하는 일 단위의 선형 부재로 이루어져 있고, 개구의 제 1 체결홈들과 패널부의 제 2 체결홈들에 대응하는 위치에 삽입구들이 천공되어 있는 것을 특징을 하는 전지팩.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 커버는, 전지모듈 어셈블리들이 외관상으로 상호 구분되도록, 전지모듈 어셈블리들 사이의 이격 공간에 대응하는 부위가 내측으로 만입된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리들은 3 단위의 전지모듈 어셈블리들로 이루어져 있고, 상기 팩 커버는 제 1 전지모듈 어셈블리의 상면에 대응하는 형상의 제 1 커버부와, 제 2 전지모듈 어셈블리 및 BMS의 상면에 대응하는 형상의 제 2 커버부와, 제 3 전지모듈 어셈블리의 상면에 대응하는 형상의 제 3 커버부로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
13. 제 12 항에 있어서, 패널 하우징은 상기 제 2 커버부의 전면 또는 후면에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 일면에는 각각의 전지모듈 어셈블리들이 탑재되기 위한 탑재 공간이 만입된 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리의 탑재 공간이 만입된 깊이는 전지모듈 어셈블리의 유동을 방지할 수 있도록, 전지모듈 어셈블리의 탑재 방향에 대응하는 높이를 기준으로 5% 내지 50%의 크기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
16. 제 1 항에 있어서, 각각의 전지모듈 어셈블리는 일측 외주변의 길이가 나머지 외주변의 길이에 비해 상대적으로 큰 직육면체 구조로 형성되어 있으며, 상기 전지모듈 어셈블리들은 상대적으로 큰 크기로 이루어진 외주변이 서로 대면하는 상태로 베이스 플레이트 상에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
17. 제 1 항에 있어서, 하나의 전지모듈 어셈블리를 구성하는 전지셀들은 각각 직렬로 연결되어 있고, 모듈 어셈블리 집합체를 구성하는 각각의 전지모듈 어셈블리들은 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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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