KR20220021892A - 배터리 팩, 그리고 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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우성훈
윤영일
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈이 안착되는 탑재 플레이트, 상기 베이스 플레이트의 길이 방향 일 측에 구비되는 전방 프레임 및 상기 탑재 플레이트의 길이 방향 타 측에 구비되는 후방 프레임을 포함하는 트레이; 상기 트레이의 폭 방향 양 측부를 커버하는 한 쌍의 사이드 커버; 상기 전방 프레임 및 후방 프레임과 나란하며, 서로 인접한 배터리 모듈 사이에 개재되는 적어도 하나의 모듈 격벽; 및 일 측 단부가 상기 모듈 격벽에 체결되고, 타 측 단부는 상기 후방 프레임에 체결되는 BEM 브라켓 및 상기 BEM 브라켓 상에 마운팅 되는 BEM을 포함하는 BEM 어셈블리; 를 포함한다.

Description

배터리 팩, 그리고 이를 포함하는 자동차 {Battery pack and Vehicle comprising the Same}
본 발명은 배터리 팩, 그리고 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트레이의 내부 공간에 배치되는 모듈 격벽 및 후방 프레임을 활용하여 BME 어셈블리를 체결할 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩, 그리고 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 또한, 이러한 리튬 이차전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 이러한 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
그리고, 리튬 이차전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다.
특히, 최근 전기 자동차 등에 적용되는 대용량의 배터리 팩의 수요가 증가하고 있다. 이러한 대용량의 배터리 팩은 에너지 밀도의 향상을 위해 다수의 배터리 모듈이 좁은 내부 공간 내에 수용된 구조를 가지며, 이로 인해 BEM(battery energy management system)의 고정을 위한 공간이 확보되기 어려운 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 종래의 배터리 팩 구조에 큰 변형을 없이 BEM 설치를 위한 구조를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈이 안착되는 탑재 플레이트, 상기 베이스 플레이트의 길이 방향 일 측에 구비되는 전방 프레임 및 상기 탑재 플레이트의 길이 방향 타 측에 구비되는 후방 프레임을 포함하는 트레이; 상기 트레이의 폭 방향 양 측부를 커버하는 한 쌍의 사이드 커버; 상기 전방 프레임 및 후방 프레임과 나란하며, 서로 인접한 배터리 모듈 사이에 개재되는 적어도 하나의 모듈 격벽; 및 일 측 단부가 상기 모듈 격벽에 체결되고, 타 측 단부는 상기 후방 프레임에 체결되는 BEM 브라켓 및 상기 BEM 브라켓 상에 마운팅 되는 BEM을 포함하는 BEM 어셈블리; 를 포함한다.
상기 복수의 배터리 모듈은, 상기 전방 프레임, 후방 프레임, 한 쌍의 사이드 커버 및 모듈 격벽에 의해 구획되는 복수의 수용 공간 내에 각각 수용될 수 있다.
상기 BME 브라켓은, 상기 후방 프레임과 그에 인접한 상기 모듈 격벽 사이에 형성되는 수용 공간 내에 배치되는 상기 배터리 모듈의 상부에 위치할 수 있다.
상기 후방 프레임은, 내측 벽으로부터 상기 트레이의 내측을 향해 연장된 서포팅 리브를 구비할 수 있으며, 상기 BEM 브라켓의 타 측 단부는 상기 서포팅 리브에 체결될 수 있다.
상기 모듈 격벽의 상면에는 복수의 격벽 홈이 형성될 수 있으며, 상기 BEM 브라켓의 일 측 단부는 상기 격벽 홈의 바닥 면에 체결될 수 있다.
상기 BEM 브라켓은, 상기 배터리 팩의 폭 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 제1 브라켓; 및 상기 한 쌍의 제1 브라켓 사이에 배치되는 한 쌍의 서브 브라켓 및 상기 한 쌍의 서브 브라켓 사이를 연결하는 복수의 연결 브라켓을 포함하는 제2 브라켓; 을 포함할 수 있다.
상기 BEM은, 길이 방향 양 측 단부 각각이 상기 한 쌍의 제1 브라켓과 체결될 수 있다.
상기 BEM은, 상기 한 쌍의 서브 브라켓 및 복수의 연결 브라켓에 의해 형성되는 안착면 상에 안착될 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈 각각은, 적어도 일 측에 형성되는 고정부를 구비할 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈 각각은, 상기 고정부를 통해 상기 한 쌍의 사이드 커버 중 적어도 어느 하나에 고정될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 상기 배터리 팩을 적어도 하나 이상 포함한다.
본 발명에 따르면, 종래의 배터리 팩 구조에 큰 변형을 없이 BEM 설치를 위한 구조를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따르면, 이러한 BEM 설치를 위해 요구되는 공간의 사이즈를 최소화 함으로써 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 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 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 결합 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 복수의 이차전지가 적층되어 형성된 셀 적층체를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 배터리 팩의 C-C 선을 따라 절단된 모습을 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 가스 배출로의 모습을 개략적으로 나타내는 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 배터리 모듈을 나타내는 저면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 배출 포트를 나타내는 저면 확대도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 BEM 브라켓과 팩 하우징의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 모듈 격벽을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 후방 프레임을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 BEM 어셈블리와 팩 하우징의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
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 안 되며, 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)은, 복수의 배터리 모듈(200), 트레이(320), 한 쌍의 사이드 커버(330, 330a, 330b) 및 적어도 하나의 모듈 격벽(340)을 포함한다. 상기 배터리 팩(300)은, 상부 커버(310)를 더 포함할 수도 있다. 상기 트레이(320) 및 한 쌍의 사이드 커버(330)는 하나의 팩 하우징을 구성할 수 있다. 또한, 상기 트레이(320), 한 쌍의 사이드 커버(330) 및 상부 커버(310)가 하나의 팩 하우징을 구성할 수도 있다.
구체적으로, 상기 배터리 모듈(200)은 복수의 이차전지(100)를 구비할 수 있다. 상기 이차전지(100)는 전극조립체(미도시), 전해액(미도시), 및 이들을 내부에 수용하는 파우치 케이스(116)를 포함하는 파우치형 이차전지일 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, F 방향(도 1 참조)을 따라 바라보았을 때, 하나의 배터리 모듈(200)의 내부에는 21개의 파우치형 이차전지(100)가 배터리 팩(300)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 적층된 상태로 모듈 하우징(210) 내에 수용될 수 있다. 다만, 이러한 이차전지(100)의 개수는 예시적인 것이며, 요구되는 용량 및 전압 등에 따라 적용되는 이차전지(100)의 개수는 달라질 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 양극 리드(112)와 상기 음극 리드(111)는, 배터리 팩(300)의 폭 방향(Y축과 나란한 방향)을 따라 서로 반대 방향으로 인출될 수 있다. 즉, 상기 양극 리드(112)는 상기 이차전지(100)의 중심을 기준으로 일 단부에 구비될 수 있다. 또한, 상기 음극 리드(111)는 이차전지(100)의 중심을 기준으로 타 단부에 구비될 수 있다.
상기 이차전지(100)는 몸체가 수평면(X-Y 평면)에 대해 수직하게 직립한 형태로 구비될 수 있다. 상기 이차전지(100)는 몸체가 배터리 팩(300)의 폭 방향(Y축과 나란한 방향)을 따라 길게 연장된 형태일 수 있다. 또한, 상기 복수의 이차전지(100)는 화재나 열폭주 등의 이상 거동 발생시, 배터리 팩(300)의 폭 방향을 따라 일측 및/또는 타측 방향으로 가스를 배출하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 이차전지(100)가 파우치 타입의 배터리 셀일 경우, 파우치 케이스(116)의 길이 방향 일측 또는 타측의 실링부의 일부분(B1)은 실링력을 약하게 형성시킬 수 있다. 또는, 상기 파우치의 길이 방향 일측 또는 타측의 실링부의 일부분은 실링 면적의 폭이 나머지 부분보다 좁게 형성될 수 있다.
따라서, 상기 복수의 이차전지(100)는 이상 거동 발생시, 길이 방향 일측 및/또는 타측 방향으로 가스를 배출할 수 있게 되며, 이에 따라 배터리 모듈(200)에 있어서 가스의 배출 방향을 의도한 방향(하기의 배출 포트를 향하는 방향)으로 유도할 수 있게 된다. 이에 따라, 배터리 모듈(200) 내부에서 가스가 정체되지 않고 원활하게 외부로 배출되도록 할 수 있으며, 이로써 배터리 모듈(200) 내부에서 2차 폭발이 발생되거나, 화재의 규모가 더 커지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)에는, 앞서 설명한 파우치 타입 배터리 셀(100)만이 적용되는 것이 아니고 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 타입의 배터리 셀이 채용될 수 있다.
상기 배터리 팩(300)은 상기 복수의 이차전지(100)를 전기적으로 상호 연결하도록 구성된 적어도 하나 이상의 버스바(도시하지 않음)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 버스바는 전도성 금속을 구비할 수 있고, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 니켈 등을 구비할 수 있다.
나아가, 상기 배터리 팩(300)은, 상기 복수의 배터리 모듈(200)을 서로 전기적으로 연결하는 와이어 타입의 버스바(도시하지 않음)를 구비할 수도 있다.
한편, 상기 복수의 배터리 모듈(200) 각각은 배출 포트(215)를 구비할 수 있다. 상기 배출 포트(215)는 배터리 모듈(200) 내부에서 발생된 가스를 외부로 배출하도록 개구가 구비될 수 있다. 상기 배출 포트(215)는 배터리 모듈(200)의 일측에만 형성되는 것이 바람직하다. 상기 배출 포트(215)는 배터리 모듈(200)의 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 양 측 단부 중 배터리 팩(300)의 외곽을 향하는 방향에만 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 서로 마주 보는 한 쌍의 배터리 모듈(200)이 서로를 향하는 방향으로 가스를 배출함으로써 온도 상승을 가속화시키는 현상이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 트레이(320) 상에 배터리 팩(300)의 폭 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 한 쌍의 배터리 모듈(200)이 서로 마주보도록 배치되며, 배터리 팩(300)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라서는 적어도 2 이상의 배터리 모듈(200)이 연속적으로 배치된 형태를 갖는다. 이러한 배터리 팩(300)에 있어서, 서로 마주보는 배터리 모듈(200) 상호 간에 있어서 고온의 가스를 서로를 향해 배출하는 구조를 갖게 된다면 이는 배터리 팩(300) 내부의 온도를 상승시키는 요인이 된다. 따라서, 고온의 가스를 배출함에 있어서 배터리 팩(300)의 외측을 향해 배출할 수 있도록 배출 포트(215)의 설치 위치를 제한하는 것이다.
한편, 상기 배출 포트(215)는 상기 사이드 커버(330)를 향해 돌출된 관 형태를 가질 수 있다. 상기 배출 포트(215)는 관 형태의 단부가 상기 사이드 커버(330)의 내부와 연통되도록 입구(E1)와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 트레이(320) 상에는 상기 복수의 배터리 모듈(200)이 탑재 된다. 상기 트레이(320)는 수평 방향(X-Y 평면과 나란한 방향)으로 연장되며 상기 배터리 모듈(200)이 안착되는 탑재 플레이트(323)를 구비할 수 있다. 또한, 상기 트레이(320)는 상기 탑재 플레이트(323)의 하부와 결합되는 베이스 플레이트(324)를 구비할 수 있다. 상기 트레이(320)는 상하 방향(Z축과 나란한 방향)으로 직립된 플레이트 형태의 전방 프레임(325), 및 후방 프레임(326)을 구비할 수 있다. 상기 전방 프레임(325)은, 상기 탑재 플레이트(323)의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부에 구비될 수 있다. 상기 후방 프레임(326)은 상기 탑재 플레이트(323)의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 타 측 단부에 구비될 수 있다.
상기 트레이(320)는 가스를 외부로 배출하는 배출구(E2)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배출구(E2)는 상기 전방 프레임(325)의 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 양 측 단부에 각각 형성될 수 있다. 상기 배출구(E2)는 배터리 팩(300)의 내부와 외부가 연통되도록 개구된 형태일 수 있다.
상기 상부 커버(310)는 상기 트레이(320)의 상부에 결합될 수 있다. 상기 상부 커버(310)는 상기 트레이(320)에 탑재된 복수의 배터리 모듈(200)을 모두 커버할 수 있는 크기를 갖는다.
도 2와 함께 도 4를 참조하면, 상기 사이드 커버(330)는, 일 방향(Y축 방향)으로 길게 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 사이드 커버(330)는 그 형태가 압출 성형되어 형성될 수 있다. 상기 사이드 커버(330)의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부는 상기 전방 프레임(325)과 결합될 수 있다. 상기 사이드 커버(330)의 길이 방향 타 측 단부는 상기 후방 프레임(326)과 결합될 수 있다.
나아가, 상기 사이드 커버(330)는, 상기 트레이(320)의 탑재 플레이트(323)의 폭 방향(Y축과 나란한 방향) 일 측 단부 및 타 측 단부 각각에 위치될 수 있다. 예를 들면, 도 2와 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 사이드 커버(330)는 상기 탑재 플레이트(323)의 폭 방향 일 측 단부 및 타 측 단부 각각에 위치된 본체부(333)들을 구비할 수 있다. 이에 따라, 상기 본체부(333)들은 배터리 팩(300)의 좌측벽, 및 우측벽 역할을 수행할 수 있다. 상기 본체부(333)들은 전후 방향(X축과 나란한 방향)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 본체부(333)는 압출 성형되어 전후 방향으로 연장된 플레이트 형상을 가질 수 있다. 상기 본체부(333)들은 상하 방향(Z축에 나란한 방향)을 따라 직립된 형태를 가질 수 있다. 상기 본체부(333)들은 내부가 비어 있는 중공 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 사이드 커버(330)는 일부분이 개구되어 형성된 입구(E1)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 입구(E1)는 후술하는 가스 배출부(335)의 일부분이 개구되어 형성될 수 있다. 상기 입구(E1)를 통해 사이드 커버(330)의 외부와 내부가 연통된다. 상기 복수의 입구(E1)는 각각이 상기 배출 포트(215)와 연결될 수 있다. 즉, 상기 입구(E1)는 상기 배출 포트(215)의 개구와 대면하며, 이로써 가스 배출부(335)의 내부에 형성된 가스 유로와 배출 포트(215)가 서로 연통된다.
더욱이, 상기 가스 배출부(335)는 상기 입구(E1)로부터 유입된 가스를 상기 배출구(E2)까지 이송하도록 일방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 가스 배출부(335)는 상기 본체부(333)의 일 측에 형성될 수 있다. 상기 가스 배출부(335)는 본체부(333)의 일 측으로부터 배터리 모듈(200)을 향하는 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 가스 배출부(335)는 압출 공법을 통해 전후 방향으로 연장되고 내부가 비어 있는 관 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 사이드 커버(330) 각각은 가스 배출부(335)를 구비하며, 가스 배출부(335)는 전후 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 가스 배출부(335)의 전단부, 즉 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부는 상기 전방 프레임(325)에 구비된 배출구(E2)와 연결될 수 있다.
그리고, 상기 가스 배출부(335)는 후술하는 파이프 수용부(339)의 상부에 위치될 수 있다. 이에 따라, 가스 배출부(335)는 배터리 팩(300)의 내부의 상하 방향(Z축 방향)의 빈 공간을 활용하여 설치될 수 있으며, 이에 따라 배터리 팩(300)의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 일 방향으로 길게 연장되고 상기 트레이(320)의 일측 및 타측 각각에 위치된 본체부(333)들, 일부분이 개구되어 형성되고 각각이 상기 배출 포트(215)와 연결된 복수의 입구(E1), 및 상기 입구(E1)로부터 유입된 가스를 상기 배출구(E2)까지 이송하도록 구성된 가스 배출부(335)를 구비하는 한 쌍의 사이드 커버(330a, 330b)를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 복수의 배터리 모듈(200) 중 어느 하나에서 화재 또는 열폭주 등의 이상 거동에 의해 발생된 고온의 가스가 인접한 배터리 모듈(200)을 승온시키지 않고, 가스 배출부(335)를 통해 외부로 배출될 수 있으며, 이로써 배터리 팩(300) 사용상의 안전성을 높일 수 있다.
한편, 상기 모듈 격벽(340)은, 전방 프레임(325) 및 후방 프레임(326)과 나란하며, 서로 인접한 배터리 모듈(200) 사이에 개재된다. 상기 모듈 격벽(340)은, 전방 프레임(325), 후방 프레임(326) 및 한 쌍의 사이드 커버(330)와 함께 상기 트레이(320)의 내부 수용 공간을 구획한다. 상기 복수의 배터리 모듈(100)은, 전방 프레임(325), 후방 프레임(326) 및 한 쌍의 사이드 커버(330)에 의해 구획되는 복수의 수용 공간 내에 각각 수용된다. 상기 모듈 격벽(340)은, 배터리 팩(300)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 서로 인접한 배터리 모듈(200) 상호 간의 열 이동을 차단할 뿐만 아니라, 배터리 팩(300)의 길이 방향을 따라 배터리 모듈(200)이 유동되는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 배터리 모듈(200)로부터 발생된 고온의 가스를 인접한 배터리 모듈(200)과 반대 편에 위치하는 사이드 커버(330)로 이송 시킬 수 있어, 고온의 가스에 따른 인접한 배터리 모듈(200)의 승온 현상을 최소화 시킬 수 있다. 이에 따라, 하나의 배터리 모듈(200)에 화재나 열폭주가 발생될 경우, 인접한 다른 배터리 모듈(200)로 연쇄적으로 열폭주나 화재가 전파되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
더욱이, 상기 사이드 커버(330)는, 상기 트레이(320)의 폭 방향 일 측 및 타 측에 위치됨으로써, 전후 방향과 좌우 방향의 충격으로부터 복수의 배터리 모듈(200)을 보호할 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(300)의 안정성을 높일 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 가스 배출부의 모습을 개략적으로 나타내는 일부 단면도이다.
도 2 및 도 4와 함께 도 5를 참조하면, 본 발명에 적용되는 가스 배출부(335A)는 트레이(320)의 배출구(E2)로부터 먼 위치에서 가까운 위치를 향할수록 내부의 관의 단면적이 넓어지도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 가스 배출부(335A)는 상기 트레이(320)의 배출구(E2)에 먼 곳에 위치한 내부의 관의 내경(D1)이 배출구(E2)에 가까운 내경(D2) 보다 작을 수 있다.
이에 따라, 상기 가스 배출부(335A)의 내부 압력에 있어서, 배출구(E2)와 먼 곳에 위치한 부분과 비교하여 배출구(E2)와 가까운 부분의 내부 압력이 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 가스 배출부(335A)에 유입된 가스가 비교적 낮은 압력이 형성되는 가스 배출부(335A)의 배출구(E2)가 위치한 방향으로 이동되도록 유도할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 가스 배출이 원활하게 이루어질 수 있어 배터리 팩(300) 사용상의 안전성을 높일 수 있다.
한편, 다시 도 2와 함께 도 4를 참조하면, 상기 사이드 커버(330)의 본체부(333)는 외벽으로 둘러싸인 내부 공간이 형성될 수 있다. 상기 내부 공간에는 일측 내면으로부터 타측 내면까지 연장된 보강 리브(R1)가 구비될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 사이드 커버(330)의 본체부(333)의 내부에는 외벽으로 둘러싸인 내부 공간이 형성될 수 있다. 상기 내부 공간에는 적어도 하나 이상의 보강 리브(R1)가 일측 내면으로부터 타측 내면까지 연장된 형태로 구비될 수 있다.
상기 보강 리브(R1)는 상기 본체부(333)의 길이 방향(X축에 나란한 방향) 일 측 단부로부터 타 측 단부까지 길게 연장된 형태를 가질 수 있다. 상기 보강 리브(R1)는 사이드 커버(330)의 본체부(333)뿐만 아니라 가스 배출부(335), 후술하는 마운팅부(337), 및 파이프 수용부(339)에도 구비될 수 있다. 즉, 가스 배출부(335), 마운팅부(337), 및 파이프 수용부(339)는 사이드 커버(330)의 구성요소들로써, 배터리 팩(300)의 외부 충격 발생시, 보강 리브(R1)를 통한 추가적인 강성을 확보함으로써 내부의 배터리 모듈(200) 및 그 밖의 구성요소들을 보호할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 상기 사이드 커버(330)의 내부 공간에 보강 리브(R1)를 형성시킴으로써, 상기 사이드 커버(330)의 기계적 강성을 효과적으로 높일 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(300)은 좌우 방향 및 전후 방향의 외부 충격으로부터 복수의 배터리 모듈(200) 및 그 밖의 구성요소들을 안전하게 보호할 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 배터리 모듈을 개략적으로 나타내는 저면도이다.
다시 도 2 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 배터리 모듈(200)은, 모듈 하우징(210)을 구비할 수 있다. 상기 모듈 하우징(210)은 상기 복수의 이차전지(100)를 수용하는 내부 공간을 가질 수 있다. 상기 모듈 하우징(210)은 상기 사이드 커버(330)와 결합되도록 구성된 고정부(217)를 구비할 수 있다. 상기 고정부(217)는, 예를 들어 상기 모듈 하우징(210)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향) 일 측 및 타 측에 각각 구비될 수 있다. 상기 복수의 배터리 모듈(200) 각각은, 고정부(217)를 통해 한 쌍의 사이드 커버(330) 중 적어도 어느 하나 고정될 수 있다.
상기 고정부(217)에는 결합 홀이 형성될 수 있다. 상기 사이드 커버(330) 상에는 결합 홀과 대응되는 위치에 형성되는 체결 홀이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 체결 홀은, 사이드 커버(330)를 구성하는 가스 배출부(335) 상에 형성될 수 있다. 즉, 상기 가스 배출부(335)의 상면에는 가스 배출부(335)의 길이 방향(X축과 나란한 방향)을 따라 복수의 체결 홀 및 입구(E1)가 상호 이격된 상태로 구비될 수 있다.
서로 마주보는 한 쌍의 배터리 모듈(200) 각각에 구비된 한 쌍의 외측 고정부(217)는 체결 홀 및 결합 홀에 삽입되는 체결 볼트(도시하지 않음)에 의해 가스 배출부(335) 상에 결합될 수 있다.
이처럼, 본 발명에 있어서, 배터리 모듈(200)과 트레이(320) 간의 체결은, 트레이(320)의 바닥면, 즉 탑재 플레이트(323)와 배터리 모듈(200)이 직접적으로 체결되는 방식이 아니라, 탑재 플레이트(323) 상에 설치된 별도의 구조물을 이용하여 배터리 모듈(200)이 간접적으로 체결되는 방식이 적용된다. 이에 따라, 배터리 모듈(200)과 트레이(320)의 체결로 인해 트레이(320)의 바닥면에 응력이 집중되는 현상을 방지할 수 있으며, 이로써 외부의 충격으로 인해 트레이(320)의 바닥면에 형성된 냉각 유로를 통해 흐르는 냉매가 유실되어 냉각 성능에 지장을 초래하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 냉각 유로를 통해 흐르는 냉매가 냉각수인 경우, 냉각수의 누수로 인한 단락의 위험성 또한 제거할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 트레이(320)의 바닥면을 이루는 탑재 플레이트(323)에 형성된 냉매 홀(323b)을 구비할 수 있으며, 배터리 모듈(200)의 바닥면이 이러한 냉매 홀(323b)과 연결되어 냉매를 공급 받고 배출할 수 있다. 즉, 상기 냉매 홀(323b)은, 트레이(320)의 바닥면을 이루는 탑재 플레이트(232)에 형성된 냉매 유로(미도시)와 연통되며 이러한 냉매 유로는 후술할 냉각 파이프(350)와 연통된다.
한편, 다시 도 1 및 도 2와 도 4를 참조하면, 상기 배터리 팩(300)은 내부에 냉매가 흐르도록 구성된 냉각 파이프(350)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉매로는 예를 들어 냉각수가 이용될 수 있다.
또한, 상기 사이드 커버(330)는, 냉각 파이프(350)를 내부에 수용하는 파이프 수용부(339)를 포함한다. 상기 파이프 수용부(339)는 냉각 파이프(350)를 감싸도록 형성된 외벽 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 파이프 수용부(339)는, 외벽이 본체부(333)의 내측벽으로부터 내측 방향으로 연장된 수평 플레이트(339a)와, 수평 플레이트(339a)의 단부로부터 하방으로 연장된 수직 플레이트(339b)를 포함할 수 있다. 상기 수평 플레이트(339a)와 수직 플레이트(339b)는 개별적으로 구비되어 용접 등에 의해 접합될 수도 있고, 일체로 형성될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은, 상기 사이드 커버(330)가 냉각 파이프(350)를 내부에 수용하는 파이프 수용부(339)를 구비함으로써, 외부 충격에 의해 냉각 파이프(350)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 다시 도 4를 참조하면, 상기 트레이(320)는 임시 보관부(S)가 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 임시 보관부(S)는 냉각 파이프(350)로부터 냉매가 새어 나올 경우, 새어 나온 냉매가 흘러 들어가도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 임시 보관부(S)는 탑재 플레이트(323)와 베이스 플레이트(324) 사이의 공간에 형성될 수 있다.
그리고, 상기 탑재 플레이트(323)의 길이 방향 일 측 단부(323a)는 사이드 커버(330)의 본체부(333)와 이격됨으로써 누수된 냉각수가 임시 보관부(S)로 흘러 들어갈 수 있는 통로를 제공한다. 즉, 상기 냉각 파이프(350)로부터 냉매가 새어 나올 경우, 유출된 냉매가 이러한 탑재 플레이트(323)의 단부(323a)와 사이드 커버(330) 간의 이격된 틈을 통해 임시 보관부(S) 내부로 흘러 들어갈 수 있다.
이와 같이, 상기 트레이(320)는, 상기 냉각 파이프(350)로부터 냉매가 새어 나올 경우, 새어 나온 냉매가 흘러 들어가도록 구성된 임시 보관부(S)를 구비함으로써, 유출된 냉매가 배터리 모듈(200)의 수용 공간 내에 고이거나, 배터리 모듈(200) 내부로 유입되는 것을 방지하여, 냉매에 의한 배터리 모듈(200)의 단락 발생을 방지할 수 있다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 상기 사이드 커버(330)는 마운팅부(337)를 더 구비할 수 있다. 상기 마운팅부(337)는 외부 기기와 결합되도록 상기 본체부(333)의 외측에 구비될 수 있다. 상기 마운팅부(337)는 외부 기기에 결합되도록 체결 구조가 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 마운팅부(337)는 자동차의 차체와 결합될 수 있다. 상기 마운팅부(337)에는 볼트의 삽입을 위한 볼팅구가 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명은, 상기 마운팅부(337)를 더 포함함으로써, 예를 들어 차체와 같은 외부 기기에 배터리 팩(300)을 안정적으로 고정시킬 수 있다.
또한, 상기 마운팅부(337)는 외부 충격으로부터 내부에 위치한 복수의 배터리 모듈(200)을 보호하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 마운팅부(337)는 상기 본체부(333)의 외측 방향으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 상기 마운팅부(337)는 내부가 비어 있는 중공 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 마운팅부(337)는 배터리 팩(300)의 방향의 측부로부터 충격이 가해질 경우, 이를 흡수하거나 또는 방어할 수 있도록 외측으로 돌출된 형태를 가질 수 있다.
도 4 및 도 6과 함께 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 배터리 모듈(200B)은, 배출 포트(215)에 마개(360)가 구비될 수 있다. 상기 마개(360)는 소정 온도 이하에서 상기 배출 포트(215)의 출구를 밀폐할 수 있다. 상기 마개(360)는 소정 온도 이상에서는 녹아 유실되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 마개(360)는 녹는점이 섭씨 200도 이상인 재질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 마개(360)는 파라핀 소재를 포함할 수 있다. 상기 마개(360)는 예를 들면, 섭씨 200도에서 녹아 유실되어 상기 배출 포트(215)를 개방할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 배터리 모듈(200B)은, 소정 온도 이하에서 상기 배출 포트(215)를 밀폐하고 소정 온도 이상에서는 녹아 유실되어 상기 배출 포트(215)를 개방하도록 구성된 마개(360)를 구비함으로써, 화재나 열폭주가 발생된 배터리 모듈(200B)의 고온의 가스가 상기 마개(360)를 녹아 유실되도록 하고, 이로 인해, 배출 포트(215)를 개방시켜 고온의 가스가 외부로 배출 시킬 수 있다. 소정 온도 이상의 내부 온도를 유지하는 정상적인 사용 상태에서는 배출 포트(215)를 밀폐하여, 외부 물질(특히 전도성 물질)이 배터리 모듈(200B)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 배터리 모듈(200B)은, 마개(360)를 적용하여, 화재나 열폭주가 발생된 배터리 모듈(200B)로부터 고온의 가스가 배출될 경우, 가스 배출부(335)로 이동하는 가스가 인접한 다른 배터리 모듈(200B)의 배출 포트(215)를 통해 배터리 모듈(200B) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 2와 함께 도 8 내지 도 13을 참조하면, 상기 BEM 어셈블리(400)는, BEM 브라켓(410) 및 BEM(420)을 포함한다.
상기 BEM 브라켓(410)은, 예를 들어, 그 일 측 단부가 모듈 격벽(340)에 체결될 수 있고, 타 측 단부는 후방 프레임(326)에 체결될 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 격벽(340)의 상면에는 복수의 격벽 홈(341)이 형성될 수 있고, BEM 브라켓(410)의 일 측 단부는 격벽 홈(341)의 바닥 면에 체결될 수 있다. 또한, 상기 후방 프레임(326)은, 그 내측 벽으로부터 내측을 향해 연장된 서포팅 리브(327)를 구비할 수 있으며, BEM 브라켓(410)의 타 측 단부는 서포팅 리브(327)에 체결될 수 있다.
상기 BEM 브라켓(410)은, 한 쌍의 제1 브라켓(411) 및 한 쌍의 제1 브라켓(411)사이에 배치되는 제2 브라켓(412)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 한 쌍의 제1 브라켓(411)은, 배터리 팩(300)의 폭 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 서로 이격되어 배치된다. 또한, 상기 제2 브라켓(412)은, 한 쌍의 제1 브라켓(411) 사이에 배치되는 한 쌍의 서브 브라켓(412a) 및 한 쌍의 서브 브라켓(412a) 사이를 연결하는 복수의 연결 브라켓(412b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 브라켓(411) 및 서브 브라켓(412a) 각각의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 일 측 단부는 격벽 홈(421)의 바닥 면에 형성된 격벽 홀(421a)을 이용하여 모듈 격벽(420)에 볼팅 체결될 수 있다. 또한, 상기 제1 브라켓(411) 및 서브 브라켓(412a) 각각의 길이 방향(X축과 나란한 방향) 타 측 단부는 서포팅 리브(327)에 형성된 리브 홀(327a)을 이용하여 서포팅 리브(327)에 볼팅 체결될 수 있다.
상기 BEM 브라켓(410)은, 후방 프레임(326)과 그에 인접한 모듈 격벽(340) 사이에 형성되는 수용 공간 내에 배치되는 상기 배터리 모듈(100)의 상부에 위치한다. 상기 BEM 브라켓(410)은, 예를 들어, 상방을 향해 휘어진 형태를 갖는 대략 아치형으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 브라켓(411) 및 서브 브라켓(412a)은, 예를 들어, 상방을 향해 휘어진 형태를 갖는 대략 아치형으로 형성될 수 있다. 상기 제1 브라켓(411) 및 서브 브라켓(412a)은, 배터리 모듈(200)의 상부에 배치되며, 이로써 BEM(420) 역시 배터리 모듈(200)로부터 상방으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 BEM(420)은, 복수의 배터리 모듈(200)과 전기적으로 연결되며, 또한 트레이(320)의 내부에 배치되는 센서(미도시)와도 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 BEM(420)은, 배터리 팩(300)이 적용되는 자동차의 운행 상황, 배터리 모듈(200)의 충전 상태, 배터리 팩의 내부의 온도 등을 참조하여 배터리 팩(300)에 대한 충방전을 제어한다.
도면에 구체적으로 도시되지는 않았으나, 상기 BEM(420)은, 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 양 측 단부 각각이 한 쌍의 제1 브라켓(411)과 체결될 수 있다. 또한, 상기 BEM(420)은, 한 쌍의 서브 브라켓(412a) 및 복수의 연결 브라켓(412b)에 의해 형성되는 안착면 상에 안착될 수 있다. 즉, 상기 제2 브라켓(412)은 BEM(420)의 안착을 위한 안착면을 형성하고, 제1 브라켓(411)은 안착된 BEM(420)의 길이 방향 양 측 단부와 체결되어 BEM(420)을 단단히 고정시키는 역할을 할 수 있다. 상기 제2 브라켓(412)은, BEM(420)과 결합되지는 않고 BEM(420)을 지지하는 지지부로서만 기능할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 팩 하우징 내부 공간에 설치된 모듈 격벽(340) 및 후방 프레임(326)을 이용하여 BEM(420)을 체결할 수 있는 구조를 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, BEM(420)의 설치를 위한 별도의 구조물을 도입함에 따른 에너지 밀도의 손실을 발생시키지 않는다.
특히, 본 발명의 BEM 브라켓(410)은, 트레이(320)에 구비된 구조물을 이용하여 배터리 모듈(100)의 상부에 설치되며, 이로써 트레이(320) 내부에 구비되는 수용 공간은 온전히 배터리 모듈(100)의 수납을 위한 공간으로 활용할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)은, 에너지 밀도 향상 효과를 극대활 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 전기 자동차나 하이브리드 자동차일 수 있으며, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩(300)을 적어도 하나 이상 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는 차체 내에 위에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 내부에 탑재할 수 있다. 이때, 상기 사이드 커버(330)는 상기 자동차의 차체와 결합되도록 구성될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
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.
300: 배터리 팩
200: 배터리 모듈 310: 상부 커버
100: 이차전지 210: 모듈 하우징
215: 배출 포트 217: 고정부
320: 트레이
325, 326: 전방 프레임, 후방 프레임
327: 서포팅 리브 327a: 리브 홀
323, 324: 탑재 플레이트, 베이스 플레이트
E2: 배출구
S: 임시 보관부
330, 330a, 330b: 사이드 커버
333, 335, 337, 339: 본체부, 가스 배출부, 마운팅부, 파이프 수용부
340: 모듈 격벽 341: 격벽 홈
341a: 격벽 홀
E1: 입구 R1: 보강 리브
350: 냉각 파이프 360: 마개
400: BEM 어셈블리 410: BEM 브라켓
411: 제1 브라켓 412: 제2 브라켓
412a: 서브 브라켓 412b: 연결 브라켓
420: BEM(battery energy management system)

Claims (11)

  1. 복수의 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈이 안착되는 탑재 플레이트, 상기 베이스 플레이트의 길이 방향 일 측에 구비되는 전방 프레임 및 상기 탑재 플레이트의 길이 방향 타 측에 구비되는 후방 프레임을 포함하는 트레이;
    상기 트레이의 폭 방향 양 측부를 커버하는 한 쌍의 사이드 커버;
    상기 전방 프레임 및 후방 프레임과 나란하며, 서로 인접한 배터리 모듈 사이에 개재되는 적어도 하나의 모듈 격벽; 및
    일 측 단부가 상기 모듈 격벽에 체결되고, 타 측 단부는 상기 후방 프레임에 체결되는 BEM 브라켓 및 상기 BEM 브라켓 상에 마운팅 되는 BEM을 포함하는 BEM 어셈블리;
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈은,
    상기 전방 프레임, 후방 프레임, 한 쌍의 사이드 커버 및 모듈 격벽에 의해 구획되는 복수의 수용 공간 내에 각각 수용되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BME 브라켓은,
    상기 후방 프레임과 그에 인접한 상기 모듈 격벽 사이에 형성되는 수용 공간 내에 배치되는 상기 배터리 모듈의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후방 프레임은, 내측 벽으로부터 상기 트레이의 내측을 향해 연장된 서포팅 리브를 구비하며,
    상기 BEM 브라켓의 타 측 단부는 상기 서포팅 리브에 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 격벽의 상면에는 복수의 격벽 홈이 형성되며,
    상기 BEM 브라켓의 일 측 단부는 상기 격벽 홈의 바닥 면에 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 BEM 브라켓은,
    상기 배터리 팩의 폭 방향을 따라 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 제1 브라켓; 및
    상기 한 쌍의 제1 브라켓 사이에 배치되는 한 쌍의 서브 브라켓 및 상기 한 쌍의 서브 브라켓 사이를 연결하는 복수의 연결 브라켓을 포함하는 제2 브라켓;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 BEM은, 길이 방향 양 측 단부 각각이 상기 한 쌍의 제1 브라켓과 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 BEM은, 상기 한 쌍의 서브 브라켓 및 복수의 연결 브라켓에 의해 형성되는 안착면 상에 안착되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각은,
    적어도 일 측에 형성되는 고정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각은,
    상기 고정부를 통해 상기 한 쌍의 사이드 커버 중 적어도 어느 하나에 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 이상 포함하는 자동차.
KR1020210107660A 2020-08-14 2021-08-13 배터리 팩, 그리고 이를 포함하는 자동차 KR20220021892A (ko)

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