KR20220101580A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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KR20220101580A
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오광근
정인혁
최해원
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 가스를 내보내기 위한 벤트부를 구비하는 적어도 하나의 배터리 셀 및 벤트부가 배터리 팩의 하측을 향하도록 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하며, 벤트부를 배터리 팩의 외부로 노출시키는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩이나 배터리 랙을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 팩의 경우, 일반적으로, 복수 개의 배터리 셀, 복수 개의 배터리 셀을 수용하는 팩 케이스, 이러한 팩 케이스의 상측에서 복수 개의 배터리 셀을 커버하는 팩 커버 및 팩 케이스의 하부에 장착되며 복수 개의 배터리 셀을 냉각하는 히트 싱크를 포함하여 구성된다. 여기서, 종래 팩 케이스는, 복수 개의 플레이트 부재들의 결합체로 구비되어, 복수 개의 배터리 셀들을 수용하게 된다.
그러나, 종래 배터리 팩의 경우, 팩 케이스를 구성하는 복수 개의 플레이트 부재들로 인해 전체 배터리 팩의 사이즈 증대가 불가피하여 에너지 밀도 측면에서 불리한 문제가 있다. 또한, 종래 배터리 팩의 경우, 탑 커버 및 히트 싱크와 같은 추가적인 부재들로 인해 전체 에너지 밀도 측면에서 불리한 문제가 있다.
아울러, 종래 배터리 팩에서는, 배터리 팩의 과열이나 화재 상황 발생 시, 배터리 셀들에서 나온 가스가 배터리 팩의 상측을 향하기에, 일반적으로, 배터리 팩의 상측에 위치하는 운전자와 같은 탑승자의 안전에도 큰 위험을 야기하는 문제가 있다.
그러므로, 보다 더 컴팩트한 구조를 가지면서 에너지 밀도를 높일 수 있음과 아울러, 안전 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 보다 더 컴팩트한 구조를 가지면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 안전 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 가스를 내보내기 위한 벤트부를 구비하는 적어도 하나의 배터리 셀; 및 상기 벤트부가 상기 배터리 팩의 하측을 향하도록 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하며, 상기 벤트부를 상기 배터리 팩의 외부로 노출시키는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 배터리 팩은, 상기 팩 케이스와 결합되며, 상기 벤트부의 반대편에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 커버하는 팩 커버;를 포함할 수 있다.
상기 팩 커버에는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 냉각을 위해 내부에 냉각 유로가 구비될 수 있다.
상기 팩 커버는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 접촉 배치되는 바텀 히트 싱크; 및 상기 바텀 히트 싱크와 결합되어 내부에 상기 냉각 유로를 형성하는 탑 히트 싱크;를 포함할 수 있다.
상기 바텀 히트 싱크의 저면에는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 고정될 수 있다.
상기 팩 커버는, 상기 냉각 유로와 연통되며, 상기 탑 히트 싱크의 일측에 돌출되는 냉각수 유입 포트; 및 상기 냉각수 유입 포트와 이격되게 상기 탑 히트 싱크에 구비되며, 상기 냉각 유로와 연통되는 냉각수 배출 포트;를 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러싸며, 상기 팩 커버와 결합되는 케이스 본체; 및 상기 케이스 본체의 저부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 삽입되는 셀 삽입부;를 포함할 수 있다.
상기 셀 삽입부에는, 상기 벤트부를 상기 팩 케이스 밖으로 노출시키는 적어도 하나의 개구;가 형성될 수 있다.
상기 셀 삽입부는, 상기 팩 케이스의 하측에서 소정 높이로 돌출되게 형성될 수 있다.
상기 셀 삽입부는, 상기 팩 케이스의 하측으로 상기 벤트부보다 더 돌출되게 구비될 수 있다.
상기 셀 삽입부는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 저부 일측을 커버할 수 있다.
상기 팩 케이스의 내부 공간에는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러쌀 수 있게 레진 물질이 채워질 수 있다.
상기 배터리 셀은, 복수 개로 구비되며, 상기 레진 물질은, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 사이 사이에 채워질 수 있다.
상기 레진 물질은, 포팅 레진으로 구비될 수 있다.
상기 벤트부는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 길이 방향에 따른 일단부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일단부는, 상기 팩 케이스의 하부에 배치될 수 있다.
상기 팩 커버는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 타단부를 커버할 수 있다.
그리고, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
상기 팩 케이스의 하면은, 상기 자동차의 언더 바디 프레임으로부터 소정 높이 이격 배치되어 안전 스페이스를 형성할 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 자동차의 언더 바디 프레임에 장착되는 보강 플레이트;를 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스의 하면은, 상기 보강 플레이트로부터 소정 높이 이격 배치되어 안전 스페이스를 형성할 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 보다 더 컴팩트한 구조를 가지면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 안전 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
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 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 장착되는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 배터리 팩의 배터리 셀들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 배터리 팩의 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 2의 배터리 팩의 다른 실시예에 따른 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 2의 배터리 팩의 팩 커버를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 자동차에 장착되는 배터리 팩의 과열이나 화재 상황 발생 시 안전 스페이스를 통한 배터리 셀의 가스 배출을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차에 장착되는 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 자동차(1)는, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 구비되며, 적어도 하나의 배터리 팩(10)을 포함할 수 있다. 상기 자동차(1)에서, 상기 적어도 하나의 배터리 팩(10)의 상측에는 운전자 등의 탑승자를 위한 내부 시트 등이 구비된 탑승 공간이 구비될 수 있으며, 상기 배터리 팩(10)의 하측에는 상기 자동차(1)의 언더 바디 프레임(5)이 구비될 수 있다.
상기 배터리 팩(10)은, 상기 자동차(1)의 저부에 마련되는 상기 언더 바디 프레임(5) 가까이에 소정 높이(H) 이격되게 구비될 수 있다. 이러한 상기 배터리 팩(1)의 소정 높이(H) 이격 배치는 안전 스페이스(S)를 형성하기 위한 것으로서, 이하, 이와 관련된 상기 배터리 팩(10)의 배치 구조 및 구체적인 구성 등에 대해서는 하기 관련 도면들을 참조하여 보다 더 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 배터리 팩(10)은, 배터리 셀(100) 및 팩 케이스(200)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 배터리 팩(10)은, 팩 커버(300), 버스바 유닛(400) 및 기타 상기 배터리 팩(10)을 구성하는 각종 전장 부품 등을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(100)은, 이차 전지로서, 원통형 이차 전지, 파우치형 이차 전지 또는 각형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서, 상기 배터리 셀(100)은 원통형 이차 전지인 것으로 한정하여 설명한다.
상기 배터리 셀(100)은, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 배터리 셀(100)이 복수 개로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
이하, 이러한 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
도 3은 도 2의 배터리 팩의 배터리 셀들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 사이 사이에는 레진 물질(R)이 채워질 수 있다. 상기 레진 물질(R)은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 보다 더 안정적으로 고정함과 아울러 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)에서 발생한 열을 보다 고르게 분산하여 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 보다 더 높일 수 있다.
상기 레진 물질(R)은, 포팅 레진으로 구비될 수 있다. 상기 포팅 레진은, 묽은 상태의 레진 물질을 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 측으로 주입하여 경화됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 레진 물질(R)의 주입은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 열 손상을 방지하기 위한 대략 15도 내지 25도 정도의 상온 상태에서 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 레진 물질(R)은, 실리콘 레진으로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 레진 물질(R)은, 상기 실리콘 레진 이외에도 상기 배터리 셀들(100)의 고정 및 열분산 효율을 향상시킬 수 있는 기타 다른 레진 물질로 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하단부(102)에는 상기 배터리 셀들(100)의 전기적 연결을 위한 양극(110) 및 음극(130)이 구비될 수 있다. 여기서, 상기 양극(110)은, 상기 배터리 셀(100)의 하단부(102) 중앙에 구비될 수 있으며, 상기 음극(130)은, 상기 배터리 셀(100)의 하단부(102) 테두리에 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 상기 배터리 셀(102)에서, 상기 양극(110) 및 상기 음극(130)이 상호 절연될 수 있는 기타 다른 배치 구조로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
이러한 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극(110) 및 음극(130)은, 상기 팩 케이스(200, 도 1 및 도 2 참조)의 하측에서 후술하는 버스바 유닛(400)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하단부(102)에는, 각각, 상기 배터리 셀(10) 내부에서 발생하는 가스(G, 도 7 참조)를 내보내기 위한 벤트부(150)가 구비될 수 있다.
상기 벤트부(150)는, 상기 배터리 셀(100)의 길이 방향에 따른 일단부(102)에 구비될 수 있다. 상기 배터리 셀(100)의 일단부(102)는, 상기 팩 케이스(200, 도 1 및 도 2 참조)의 하부에 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 벤트부(150)는, 상기 배터리 셀(100)의 하단부(102)에 구비되며, 상기 팩 케이스(200)의 하부에 배치될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 벤트부(150)는, 상기 양극(110)이 구비되는 상기 배터리 셀(100)의 하단부 중앙 부근의 양극판 영역에 구비될 수 있다.
상기 벤트부(150)는, 상기 배터리 셀(100)의 하단부(102)에서 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께로 형성될 수 있다. 이는 상기 배터리 셀(100)의 이상 상황 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하면 파단되어 상기 배터리 셀(100) 밖으로 상기 가스(G, 도 7 참조)를 보다 용이하게 배출하기 위함이다.
상기 벤트부(150)는, 소정 크기의 개구 또는 노치 형상으로 구비되는 것도 가능할 수 있다. 아울러, 상기 벤트부(150)는, 상기 소정 크기의 개구에 일정 수준 이상의 압력에서 파단되는 필름 등을 더 부가하는 구조로 형성되는 것도 가능할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 벤트부(150)가 상기 팩 케이스(200)의 하부에 배치됨에 따라, 상기 배터리 셀(100)의 이상 상황에 따른 과열이나 화재 발생 시, 내부 가스나 화염 등이 상기 팩 케이스(200)의 상측이 아닌 상기 팩 케이스(200)의 하측으로 빠져 나갈 수 있다. 이에 따라, 상기 이상 상황 발생 시, 상기 팩 케이스(200)의 상측에 배치되는 상기 자동차(1)의 운전자 등의 탑승자의 안전을 최대한 확보하여 상기 탑승자의 피해를 최소화할 수 있다.
이러한 상기 벤트부(150)는, 상기 배터리 셀(100)의 하단부(102) 중앙 부근에 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 벤트부(150)는, 상기 배터리 셀(100)의 하측을 향해 가스를 내보낼 수 있는 기타 다른 위치에 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상단부(106)는, 평평한 형상으로 구비될 수 있으며, 팩 커버(300, 도 1 및 도 2 참조)의 저면에 고정될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하단부(102)에 상기 양극(110) 및 상기 음극(130)이 구비됨에 따라, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상단부가 요철 등의 구조가 없는 평평한 형상으로 마련되는 바, 상기 팩 커버(300)의 저면에 소정 갭 공간 등의 발생 없이 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상단부 전체가 상기 팩 커버(300)의 저면에 접촉되게 장착될 수 있다.
여기서, 상기 복수 개의 배터리 셀(100)과 상기 팩 커버(300)의 접촉 장착은 열 전도성 접착제 등을 통해 수행할 수 있다. 한편, 상기 팩 커버(300)는, 후술하는 바와 같이, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각을 위한 히트 싱크로서 구비될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 배터리 셀들(100)의 상단부 전체가 요철 구조 없이 상기 팩 커버(300)의 저면에 접촉 배치되어 장착되는 바, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 현저히 높일 수 있다.
아울러, 본 실시예의 경우, 이러한 상기 배터리 셀들(100)의 상단부(106)의 상기 팩 커버(300)와의 접촉 배치 구조를 통해, 상기 배터리 팩(10)의 상하 방향에서 전체 높이를 줄일 수 있어, 상기 배터리 팩(10)의 보다 더 컴팩트한 구조를 구현하면서 전체 에너지 밀도 또한 현저히 높일 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 자동차(1)에 장착되는 배터리 팩(10)의 개수도 최대한 확보할 수 있어, 상기 자동차(1)의 전체 배터리 용량 또한 현저히 높일 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀들(100)의 상단부(106)와 상기 팩 커버(300) 사이에는 냉각 성능을 보다 더 높일 수 있게 열전도성 시트 등과 같은 다른 부재가 개재되는 것도 가능할 수 있다. 아울러, 상기 배터리 셀들(100)의 상단부(106)에는, 상기 배터리 셀들(100)을 보다 더 안정적으로 고정하기 위한 홈 구조를 가진 열전도성 스페이서 등과 같은 다른 부재가 개재되는 것도 가능할 수 있다.
도 4는 도 2의 배터리 팩의 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4, 앞선 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 팩 케이스(200)는, 상기 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개의 배터리 셀들(100)을 수용할 수 있다. 구체적으로, 상기 팩 케이스(200)는, 상기 배터리 셀들(100)의 상기 벤트부(150)가 상기 배터리 팩(10)의 하측을 향하도록 상기 배터리 셀들(100)을 수용하며, 상기 벤트부(150)를 상기 배터리 팩(10)의 외부로 노출시킬 수 있다.
아울러, 상기 팩 케이스(200)의 하면은, 상기 자동차(1)의 상기 언더 바디 프레임(5)으로부터 소정 높이(H) 이격 배치되어 상기 안전 스페이스(S)를 형성할 수 있다.
상기 안전 스페이스(S)는, 상기 자동차(1)의 상기 언더 바디 프레임(5)에서 외부 충격 등의 발생 시, 이러한 외부 충격이 상기 배터리 팩(10) 측으로 직접적으로 전달되는 것을 방지하여 상기 외부 충격에 따른 상기 배터리 팩(10)의 파손, 나아가, 상기 배터리 팩(10)의 폭발 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
아울러, 상기 안전 스페이스(S)는, 상기 배터리 팩(10)의 이상 상황에 따른 과열이나 화재 상황 발생 시, 상기 배터리 셀들(100) 밖으로 분출되는 가스나 화염 등이 상기 운전자 등의 탑승자 방향이 아닌 상기 자동차(1)의 하측을 향해 우선적으로 안내하는 가이드 역할을 할 수 있다.
상기 팩 케이스(200)의 내부 공간에는, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 둘러쌀 수 있게 상기 레진 물질(R)이 채워질 수 있다. 구체적으로, 상기 레진 물질(R)은, 상기 팩 케이스(200) 내에서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 둘러쌀 수 있게 상기 배터리 셀들(100)이 적어도 부분적으로 잠길 수 있게 채워질 수 있다.
이러한 상기 상기 팩 케이스(200)는, 케이스 본체(210) 및 셀 삽입부(230)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 본체(210)는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100), 본 실시예의 경우, 복수 개의 배터리 셀들(100)을 둘러싸며, 후술하는 팩 커버(300)와 결합될 수 있다. 이러한 상기 케이스 본체(210) 내부에는 상기 레진 물질(R)이 채워질 수 있다.
상기 셀 삽입부(230)는, 상기 케이스 본체(210)의 저부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100), 본 실시예의 경우, 복수 개의 배터리 셀들(100)의 일단부(102)가 삽입될 수 있다. 구체적으로, 상기 셀 삽입부(230)는, 복수 개가 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 하단부(102)가 삽입될 수 있다.
상기 복수 개의 셀 삽입부(230)에는, 각각, 상기 배터리 셀들(100)의 양극(110)을 수용하면서 상기 배터리 셀들(100)의 상기 벤트부(150)를 상기 팩 케이스(200) 밖으로 노출시키는 적어도 하나의 개구(235)가 형성될 수 있다.
이러한 상기 적어도 하나의 개구(235)는, 상기 벤트부(150)에서 분출되는 가스에 의해 파열될 수 있는 얇은 필름으로 실링될 수 있다. 이는 상기 적어도 하나의 개구(235)를 통한 수분 침투 등을 방지하기 위함이다.
도 5 및 도 6은 도 2의 배터리 팩의 다른 실시예에 따른 팩 케이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 셀 삽입부(240)는, 상기 케이스 본체(210)의 저부에 구비될 수 있다. 이러한 상기 셀 삽입부(240)는, 상기 팩 케이스(200)의 하측에서 소정 높이로 돌출되게 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 셀 삽입부(240)는, 상기 팩 케이스(200)의 하측으로 상기 벤트부(150)보다 더 돌출되게 구비될 수 있다. 이러한 상기 셀 삽입부(240)는, 상기 팩 케이스(200)의 저부에서 돌출된 리브 구조를 형성할 수 있다.
본 실시예에서는, 이러한 돌출된 리브 구조의 상기 셀 삽입부(240)를 통해, 상기 배터리 셀들(100)의 벤팅부(150)와의 간섭을 보다 더 효과적으로 방지할 수 있어, 상기 배터리 셀들(100)의 과열 등에 따른 벤팅부(150)를 통한 가스 배출 시, 상기 셀 삽입부(240)의 간섭 없이 보다 더 신속하게 가스 배출이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 셀 삽입부(240)는 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀(150)의 저부 일측을 커버할 수 있다. 이에 따라, 상기 셀 삽입부(240)는, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀(150)의 고정을 보다 더 견고히 할 수 있다.
또한, 상기 셀 삽입부(240)에는 앞선 실시예의 개구(235)와 같은 개구(245)가 구비될 수 있다. 아울러, 상기 셀 삽입부(240)에는, 상기 팩 커버(300)와의 결합을 위한 체결 부재 등이 관통되거나 또는 관통 체결되는 적어도 하나의 체결홀(247)이 마련될 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 2의 배터리 팩의 팩 커버를 설명하기 위한 도면이다.
도 7, 도 8과 앞선 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 팩 커버(300)는, 상기 팩 케이스(200)와 결합되며, 상기 벤트부(150)의 반대편에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)을 커버할 수 있다. 구체적으로, 상기 팩 커버(300)는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 타단부(106)를 커버할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 팩 커버(300)는, 상기 팩 케이스(200)의 상단부와 결합되어 상기 복수 개의 배터리 셀들(200)의 상단부(106)를 커버할 수 있다.
이러한 상기 팩 커버(300)는, 냉각 유로(310), 바텀 히트 싱크(330), 탑 히트 싱크(350), 냉각수 유입 포트(370) 및 냉각수 배출 포트(390)를 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로(310)는, 상기 적어도 하나, 본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 냉각을 위해 상기 팩 커버(300) 내부에 구비될 수 있다. 이러한 상기 냉각 유로(310)에는 상기 배터리 셀들(100)의 냉각을 위한 냉각수가 순환할 수 있다.
상기 바텀 히트 싱크(330)는, 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)과 접촉 배치될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 바텀 싱크 싱크(330)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 타단부(106)와 접촉 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 바텀 히트 싱크(330)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상단부(106)와 면 접촉될 수 있다.
아울러, 상기 바텀 히트 싱크(330)의 저면에는 상기 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 고정될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 바텀 히트 싱크(330)의 저면에는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 타단부(106)가 고정될 수 있다. 구체적으로, 상기 바텀 히트 싱크(330)의 저면에는, 상기 열 전도 접착제 등을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상단부(106)가 고정될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 경우, 상기 바텀 히트 싱크(330)가 상기 배터리 셀들(100)의 상단부(106)와 면 접촉되어 고정되는 바, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 보다 더 확보함과 아울러 상기 배터리 셀들(100)의 상기 팩 케이스(100) 내에서의 보다 더 안정적인 장착을 가이드 할 수 있다.
상기 탑 히트 싱크(350)는, 상기 바텀 히트 싱크(330)와 결합되어 내부에 상기 냉각 유로(310)를 형성할 수 있다. 이러한 상기 탑 히트 싱크(350)는 상기 팩 케이스(200)의 상기 팩 케이스(210)와 결합될 수 있다.
상기 냉각수 유입 포트(370)는, 상기 냉각수를 상기 냉각 유로(310)로 안내하기 위한 것으로서, 상기 탑 히트 싱크(350)의 일측에 돌출되며, 냉각 유닛과 연통되게 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각수 유입 포트(370)는, 상기 탑 히트 싱크(350)의 측면 일측에 돌출될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 배터리 팩(10)의 높이 방향에서 평평한 구조를 구현하여 상기 배터리 팩(10)의 보다 더 컴팩트한 구조를 구현할 수 있다.
상기 냉각수 배출 포트(390)는, 상기 냉각 유로(310) 내부의 냉각수를 상기 냉각 유닛 측으로 내보내기 위한 것으로서, 상기 냉각 유로(310)와 연통되며, 상기 냉각수 유입 포트(370)와 이격되게 상기 탑 히트 싱크(350)에 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각수 배출 포트(390)는, 상기 냉각수 유입 포트(370)와 소정 거리 이격되게 상기 탑 히트 싱크(350)의 측면 일측에 돌출될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 배터리 팩(10)의 높이 방향에서 평평한 구조를 구현하여 상기 배터리 팩(10)의 보다 더 컴팩트한 구조를 구현할 수 있다.
이처럼, 본 실시예의 경우, 상기 탑 커버(300) 내부에 상기 배터리 셀들(100)을 냉각하기 위한 히트 싱크 구조가 통합적으로 마련되는 바, 종래와 같이, 탑 커버(300)와 별도로 마련되는 히트 싱크 구조에 비해 상기 배터리 팩(10)의 전체 사이즈를 줄일 수 있음과 아울러 상기 배터리 팩(10)의 에너지 밀도를 현저히 높일 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 이와 같은 통합적인 탑 커버(300) 구조를 통해, 상기 배터리 팩(10)의 조립 공정 효율을 높이며, 상기 배터리 팩(10)의 제조 비용, 또한, 낮출 수 있어 상기 배터리 팩(10)의 원가 경쟁력도 확보할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 버스바 유닛(400)은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 전기적 연결을 위한 것으로서, 상기 팩 케이스(200)의 하측에 구비될 수 있다. 상기 전기적 연결은 병렬 및/또는 직렬 연결일 수 있다. 이러한 상기 버스바 유닛(400)은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상기 양극(110) 및 상기 음극(130)과 전기적으로 연결되며, 외부 충/방전 라인 등과 연결 커넥터 등을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극(110) 및 상기 음극(130)이 상기 배터리 셀들(100)의 일측, 구체적으로, 상기 배터리 셀들(100)의 하측에 모두 구비되므로, 상기 버스바 유닛(400)과의 전기적 연결이 보다 더 용이할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극(110) 및 상기 음극(130)이 모두 동일 방향에 배치되는 구조를 가지므로, 서로 반대 방향인 양 방향에 배치되는 구조보다 상기 버스바 유닛(400)과의 연결 구조를 보다 더 단순화하며 차지하는 부피 또한 줄일 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 버스바 유닛(400)과 배터리 셀들(100)의 전기적 연결 구조의 단순화, 전체 구조의 컴팩트화 및 에너지 밀도 향상을 구현할 수 있다.
이하에서는, 이러한 본 실시예에 따른 상기 배터리 팩(10)의 과열이나 화재 상황 발생 시 안전 스페이스(S)를 통한 배터리 셀의 가스 배출이나 안전 확보를 위한 구체적인 매커니즘에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 9는 도 1의 자동차에 장착되는 배터리 팩의 과열이나 화재 상황 발생 시 안전 스페이스를 통한 배터리 셀의 가스 배출을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 상기 자동차(1)의 상기 배터리 팩(10)에서, 이상 상황 등에 따라, 상기 배터리 팩(10)의 배터리 셀들(100) 중 적어도 하나에서 과열이나 화재에 따른 가스(G)나 화염 등이 발생할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 배터리 셀들(100)의 상기 벤트부(150)가 상기 배터리 팩(10)의 하측을 향하도록 배치되는 바, 상기 배터리 셀들(100)에서 상기 벤트부(150)를 통해 배출되는 가스(G) 등이 상기 팩 케이스(200)의 하측으로 배출될 수 있다.
구체적으로, 이상 상황에 따른 상기 배터리 셀들(100)에서 발생한 가스(G) 등은, 상기 팩 케이스(200)의 하측을 향해 배치되는 벤트부(150)를 통해 나와 상기 팩 케이스(200)의 상기 셀 삽입부(230)의 상기 개구(235)를 통해 상기 팩 케이스(200)의 하측의 안전 스페이스(S) 측으로 유도될 수 있다.
즉, 본 실시예에서는, 상기 과열이나 화재 상황 등과 같은 위험 상황 시, 상기 가스(G)나 화염 등이 상기 운전자 등과 같은 탑승자가 위치하는 상기 배터리 팩(10)의 상측이 아닌 상기 배터리 팩(10)의 하측으로 우선적으로 안내되기에, 상기 운전자 등과 같은 탑승자의 안전을 최대한 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는, 상기 배터리 팩(10)이 상기 자동차(1)의 언더 바디 프레임(5) 상에서 상기 가스(G) 배출 등을 가이드하며, 외부 충격 등을 완충시킬 수 있는 상기 안전 스페이스(S)를 형성하기에, 상기 위험 상황 등의 발생 시 상기 자동차(1)에 탑승한 운전자 등과 같은 탑승자의 안전을 최대한 확보할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 배터리 팩(10)의 상기 자동차(1) 등에 장착 시, 보다 더 높은 안전 성능을 갖는 배터리 팩(10)을 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 팩(20)은 앞선 실시예의 상기 배터리 팩(10)과 유사하므로, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사한 구성들에 대해서는 중복 설명을 생략하고, 이하, 앞선 실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 10을 참조하면, 상기 자동차(1)는, 상기 배터리 팩(20)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩(20)은, 배터리 셀들(100), 팩 케이스(200), 팩 커버(300), 버스바 유닛(400) 및 보강 플레이트(500)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀들(100), 상기 팩 케이스(200), 상기 팩 커버(300) 및 상기 버스바 유닛(400)은, 앞선 실시예와 실질적으로 동일하거나 또는 유사하므로, 이하, 중복 설명을 생략한다.
상기 보강 플레이트(500)는, 상기 자동차(1)의 상기 언더 바디 프레임(5)에 장착될 수 있다. 상기 팩 케이스(200)의 하면은, 상기 보강 플레이트(500)로부터 소정 높이(H) 이격되어 상기 안전 스페이스(S)를 형성할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 보강 플레이트(500)를 통해, 상기 자동차(1)의 구조적 강성을 보다 더 확보할 수 있다. 아울러, 본 실시예에서는, 상기 보강 플레이트(500)를 통해, 상기 자동차(1)의 상기 언더 바디 프레임(5) 밖에서의 외부 충격 발생 시, 상기 외부 충격 등을 상기 언더 바디 프레임(5)과 함께 흡수 및 완충하여, 상기 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200) 측으로의 충격 전달 등의 위험을 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 상기 팩 케이스(200) 하측으로 상기 배터리 셀(100)의 이상 상황에 따른 화염 등이 분출되는 경우에도, 상기 보강 플레이트(500)가 일차적으로 이를 완충시켜 상기 언더 바디 프레임(5) 측의 파손 등을 최소화하거나 또는 최대한 지연시킬 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 보다 더 컴팩트한 구조를 가지면서 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 팩(10, 20) 및 이러한 배터리 팩(10, 20)을 포함하는 자동차(1)를 제공하기 위한 것이다.
또한, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 안전 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩(10, 20) 및 이러한 배터리 팩(10, 20)을 포함하는 자동차(1)를 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.
1: 자동차
5: 언더 바디 프레임
10: 배터리 팩
20: 배터리 팩
100: 배터리 셀
110: 양극
130: 음극
150: 벤트부
200: 팩 케이스
210: 팩 케이스
230: 셀 삽입부
235: 개구
240: 셀 삽입부
245: 개구
247: 체결홀
300: 팩 커버
310: 냉각 유로
330: 바텀 히트 싱크
350: 탑 히트 싱크
370: 냉각수 유입 포트
390: 냉각수 배출 포트
400: 버스바 유닛
500: 보강 플레이트

Claims (20)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    가스를 내보내기 위한 벤트부를 구비하는 적어도 하나의 배터리 셀; 및
    상기 벤트부가 상기 배터리 팩의 하측을 향하도록 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 수용하며, 상기 벤트부를 상기 배터리 팩의 외부로 노출시키는 팩 케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스와 결합되며, 상기 벤트부의 반대편에서 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 커버하는 팩 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팩 커버에는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 냉각을 위해 내부에 냉각 유로가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 팩 커버는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 접촉 배치되는 바텀 히트 싱크; 및
    상기 바텀 히트 싱크와 결합되어 내부에 상기 냉각 유로를 형성하는 탑 히트 싱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바텀 히트 싱크의 저면에는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀이 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 팩 커버는,
    상기 냉각 유로와 연통되며, 상기 탑 히트 싱크의 일측에 돌출되는 냉각수 유입 포트; 및
    상기 냉각수 유입 포트와 이격되게 상기 탑 히트 싱크에 구비되며, 상기 냉각 유로와 연통되는 냉각수 배출 포트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러싸며, 상기 팩 커버와 결합되는 케이스 본체; 및
    상기 케이스 본체의 저부에 구비되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 삽입되는 셀 삽입부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 셀 삽입부에는,
    상기 벤트부를 상기 팩 케이스 밖으로 노출시키는 적어도 하나의 개구;가 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 셀 삽입부는,
    상기 팩 케이스의 하측에서 소정 높이로 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 셀 삽입부는,
    상기 팩 케이스의 하측으로 상기 벤트부보다 더 돌출되게 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 셀 삽입부는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 저부 일측을 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스의 내부 공간에는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러쌀 수 있게 레진 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    복수 개로 구비되며,
    상기 레진 물질은,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 사이 사이에 채워지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 레진 물질은,
    포팅 레진으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 벤트부는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 길이 방향에 따른 일단부에 구비되며,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일단부는,
    상기 팩 케이스의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 팩 커버는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 타단부를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 팩 케이스의 하면은,
    상기 자동차의 언더 바디 프레임으로부터 소정 높이 이격 배치되어 안전 스페이스를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 자동차의 언더 바디 프레임에 장착되는 보강 플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 팩 케이스의 하면은,
    상기 보강 플레이트로부터 소정 높이 이격 배치되어 안전 스페이스를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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