KR20220129779A - 배터리 팩 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 배터리 팩 어셈블리는, 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열된 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자끼리 용접하여 형성된 길이방향 전지 셀 조립체; 및 상기 길이방향 전지 셀 조립체를 냉각하는 냉각판을 포함하고, 상기 길이방향 전지 셀 조립체가 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층 배치되고, 상기 냉각판이 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 적어도 일측면에 결합되도록 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 사이에 배치되어 이루어지는 상기 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판의 적층체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 상기 배터리 팩 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.

Description

배터리 팩 어셈블리 및 그 제조방법{BATTERY PACK ASSEMBLY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 팩 어셈블리에 관한 것으로, 보다 구체적으로 모듈을 구성함이 없이 복수개의 전지 셀로 배터리 팩을 구성할 수 있는 배터리 팩 어셈블리에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 배터리 팩 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있다. 그 중에서도, 리튬 이차전지는 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수하다는 점에서, 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자 제품들의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 또한, 리튬 이차전지는, 그 형태에 따라 각형 전지, 파우치형 전지, 원통형 전지로 구분되기도 한다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩 또는 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 사용되고 있다.
특히, 자동차의 배터리 팩에는 다수의 이차전지가 포함되며, 이들 이차전지들은 서로 직렬 및 병렬로 연결됨으로써 용량 및 출력을 향상시킨다. 상기 배터리 팩은 복수개의 배터리 모듈들로 이루어지며, 상기 배터리 모듈은 또한 복수개의 전지 셀들을 구비하고 있다.
종래의 배터리 모듈은 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층된 전지 셀 적층 어셈블리(Cell Stack assembly)와, 상기 전지 셀 적층 어셈블리의 전후단에 연결되어 적층된 전지 셀들을 전기적으로 접속하기 위한 버스바 프레임 전후 어셈블리(Busbar frame Front assembly, Busbar frame Rear assembly), 상기 버스바 프레임 전후 어셈블리에 결합되는 전후 단부판 어셈블리(Endplate Front assembly, Endplate Rear assembly), 상기 전지 셀 적층 어셈블리가 수용되는 프레임 어셈블리(Frame assembly) 등을 포함하고 있다. 상기 프레임 어셈블리의 바닥에는 써멀 레진(Thermal Resih)이 도포되어 있으며, 이 써멀 레진은 차량 바닥에 도포된 써멀 레진 및 냉각수 유로와 열 교환하여 배터리 모듈 내지 배터리 팩을 냉각하는 구조이다.
그러나, 상기한 복수개의 배터리 모듈을 결합하여 배터리 팩을 제조하는 경우 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 소정 개수(예컨대 24개)의 전지 셀을 두께 방향으로 적층하여 1개의 배터리 모듈을 구성하므로, 원하는 개수의 전지 셀(예컨대 96개의 전지 셀)로 구성된 배터리 팩을 제조하기 위해서는 4개의 배터리 모듈이 필요하다. 두께방향으로 적층할 수 있는 전지 셀의 개수에는 한계가 있으므로, 부득이 소정 개수의 전지 셀만 두께방향으로 적층하여 배터리 모듈을 구성할 수 밖에 없다. 이러한 구조에서는 원하는 사양의 배터리 팩을 제조하기 위해서는 복수개의 배터리 모듈이 필요하므로, 각 모듈의 부품인 버스바 프레임 전후 어셈블리, 전후 단부판 어셈블리 및 프레임 어셈블리도 모듈의 개수만큼 필요하다. 또한, 각 모듈을 제조하기 위하여 상기 부품들을 전지 셀 적층 어셈블리에 일일이 결합하여야 하므로, 배터리 모듈을 제조하기 위한 공수가 증가하여 제조비용이 상승될 수 밖에 없다.
둘째, 배터리 모듈을 각각 제조하여야 할 뿐 아니라, 제조된 각 배터리 모듈을 다시 연결하여 배터리 팩을 제조하는 구조이므로, 배터리 팩과 관련된 추가 부품 및 추가 결합공정이 소요된다.
셋째, 차량 바닥에 설치된 냉각수 유로-차량 바닥의 써멀 레진-배터리 모듈 바닥의 써멀 레진으로 이루어지는 경로로 열 전달하여 냉각하는 구조이므로, 냉각 효율이 낮고, 주로 전지 셀 적층 어셈블리의 바닥측만 냉각하므로 전지 셀 적층 어셈블리의 상부나 중간 부분의 냉각 기능이 떨어진다는 단점이 있다.
따라서, 제조 부품이나 제조 공수를 줄여 제조비용을 저감하고 냉각 효율을 상승시킬 수 있는 배터리 팩 제조기술의 개발이 요망된다
대한민국 등록특허공보 제10-1840417호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 만들어진 것으로서, 복수개의 파우형 전지 셀로 직접 배터리 팩 구조를 구현하여 제조 부품 및 제조 공수를 대폭 절감한 배터리 팩 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 전지 셀 조립체의 냉각 효율을 향상시킨 배터리 팩 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제조 공수를 대폭 줄일 수 있는 배터리 팩 어셈블리 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 배터리 팩 어셈블리는, 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열된 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자끼리 용접하여 형성된 길이방향 전지 셀 조립체; 및 상기 길이방향 전지 셀 조립체를 냉각하는 냉각판을 포함하고, 상기 길이방향 전지 셀 조립체가 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층 배치되고, 상기 냉각판이 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 적어도 일측면에 결합되도록 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 사이에 배치되어 이루어지는 상기 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판의 적층체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판이 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 교대로 적층되어 상기 적층체를 형성할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 냉각판은 양면테이프 또는 접착제에 의하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체에 부착될 수 있다.
다른 예로서, 상기 적층체는, 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 냉각판이 설치되지 않은 길이방향 전지 셀 조립체 사이에 설치되어 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판을 가압하는 압축패드를 더 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 압축패드는 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 적층체의 최하단 및 최상단에 각각 배치되어, 최하단과 최상단 사이의 적층체를 가압할 수 있다.
하나의 예로서, 상기 압축패드는 양면테이프 또는 접착제에 의하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체에 부착될 수 있다.
바람직한 예로서, 상기 냉각판은 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 일측면을 전부 덮는 크기로 형성될 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 냉각판은 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 접촉하는 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 둘레를 따라 형성되는 중공 구조의 냉각매체 유로를 포함할 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명의 배터리 팩 어셈블리는, 상기 적층체를 수용하는 트레이를 더 포함한다.
구체적인 예로서, 상기 트레이는, 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 두께방향으로 양측단에 위치하며 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향으로 연장되는 양측판과, 상기 양측판 사이에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 두께방향으로 연장되며 동시에 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향으로 연장되는 바닥판과, 상기 양측판 사이에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 폭방향으로 연장되며 상기 바닥판의 전단 및 후단에 결합되는 전단부판 및 후단부판을 구비할 수 있다.
바람직한 예로서, 상기 바닥판, 양측판, 전단부판 및 후단부판은 일체로 형성될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 트레이의 전단부판으로부터 상기 냉각매체 유로의 냉각매체 유입로와 냉각매체 유출로가 돌출된다.
하나의 예로서, 본 발명의 배터리 팩 어셈블리는 상기 트레이를 덮는 상부 커버를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서, 배터리 팩 어셈블리 제조방법은, 파우치형 전지 셀을 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열하고, 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자끼리 용접하여 길이방향 전지 셀 조립체를 형성하는 단계; 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 적어도 일측면에 냉각판을 부착하는 단계; 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판을 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판의 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 적층체를 트레이에 수용하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 모듈 단계를 거치지 않고 복수개의 파우치형 전지 셀로 곧바로 배터리 팩을 제조할 수 있으므로, 소요되는 제조 부품이 대폭 줄어들고, 제조 공정을 크게 간략화할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명 특유의 냉각구조에 의하여 배터리 팩 어셈블리의 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 통상적인 파우치형 전지 셀의 형태를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 배터리 팩 어셈블리의 구성요소인 길이방향 전지 셀 조립체의 개략도 및 요부 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태의 배터리 팩 어셈블리에 있어서 길이방향 전지 셀 조립체에 냉각판이 부착되는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태의 배터리 팩 어셈블리에 있어서 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판이 적층 부착된 상태를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 4의 적층 부착된 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판이 트레이에 수용된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태의 배터리 팩 어셈블리에 있어서 압축패드, 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판이 적층 부착된 상태를 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 6의 적층 부착된 압축패드, 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판이 트레이에 수용된 상태를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면과 여러 실시예에 의하여 본 발명의 세부 구성을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 또한 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니며 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
설명의 편의를 위하여, 본 명세서에서는 파우치형 전지 셀 또는 파우치형 전지 셀로 구성되는 길이방향 전지 셀 조립체의 형상을 기준으로 각 부재의 배치방향을 정의한다.
도 1은 통상적인 파우치형 전지 셀의 형태를 나타낸 개략도이다. 도시된 바와 같이, 파우치형 전지 셀(1)은 전력이 저장되는 셀 부분(1a), 셀 부분을 둘러싸는 파우치(1b) 및 충방전을 위한 단자(1c)로 구성된다. 상기 파우치형 전지 셀을 기준으로 길이가 긴 쪽을 길이방향(A), 두께를 가지는 방향을 두께방향(B), 그리고 길이가 짧은 쪽을 폭방향(C)으로 정의한다. 도 1의 파우치형 전지 셀(1)의 길이방향 양단부에는 전극 단자(1c)가 돌출되어 있으며, 본 발명의 배터리 팩 어셈블리는 이러한 타입의 파우치형 전지 셀(1)로 구성된다. 후술하는 바와 같이, 이 파우치형 전지 셀(1)은 길이방향으로 연결되어 길이방향 전지 셀 조립체를 형성하며, 이 경우에도 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향, 폭방향, 두께방향은 파우치형 전지 셀의 길이방향, 폭방향, 두께방향과 각각 동일한 방향을 지칭한다.
본 발명의 배터리 팩 어셈블리는, 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열된 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자끼리 용접하여 형성된 길이방향 전지 셀 조립체; 및 상기 길이방향 전지 셀 조립체를 냉각하는 냉각판을 포함하고, 상기 길이방향 전지 셀 조립체가 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층 배치되고, 상기 냉각판이 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 적어도 일측면에 결합되도록 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 사이에 배치되어 이루어지는 상기 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판의 적층체를 포함하여 구성된다.
도 2는 본 발명의 배터리 팩 어셈블리의 구성요소인 길이방향 전지 셀 조립체의 개략도 및 요부 확대도이다.
본 발명은 배터리 팩 어셈블리를 구현하기 위하여, 배터리 팩에 내장될 파우치형 전지 셀(1)을 종래와 같이 두께방향으로 먼저 적층하지 않고, 도 2와 같이 길이방향으로 일렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 상기 파우치형 전지 셀(1)을 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열하고, 인접하는 파우치형 전지 셀(1)의 전극 단자(1c)끼리 용접하여 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 형성한다. 특이한 점은, 본 발명에서는 상기 파우치형 전지 셀(1)을 특정의 단위 프레임 내에 설치하고 이 단위 프레임을 연결하거나, 전지 셀을 브래킷과 같은 소정의 연결부재를 개재하여 연결하지 않는다는 점이다. 본 발명에서는 제조 부품 및 제조 공수를 저감하기 위하여, 길이방향으로 인접하는 파우치형 전지 셀(1)의 전극 단자(1c)끼리를 직접 용접하여 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 형성한다. 즉, 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)가 배터리 팩 어셈블리를 형성하기 위한 단위 구성요소를 형성한다. 인접하는 전지 셀의 전극 단자(1c)끼리의 용접은 예컨대 스팟 용접에 의하여 행할 수 있다. 도 2의 X부위의 확대도에 잘 나타난 바와 같이, 인접하는 전극 단자(1c)끼리 겹치고 이 겹치는 부위(S)의 상부 및 하부에 용접 전극을 설치하여 전류 및 전압을 이 겹치는 부위에 집중시켜 국부적으로 가열 및 용접 전극으로 가압함으로써, 스팟 용접을 행할 수 있다. 스팟 용접은 통상의 기술로서 공지되어 있으므로, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.
용접되는 파우치형 전지 셀(1)의 개수는 원하는 배터리 팩의 사양에 따라 조절할 수 있다. 예컨대, 96개의 전지 셀이 내장된 배터리 팩을 구성하고자 하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 12개의 파우치형 전지 셀(1)을 길이방향으로 일렬로 용접 연결할 수 있다. 12개의 파우치형 전지 셀(1)을 연결한 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 8개 적층하면 96개의 전지 셀을 구비한 배터리 팩을 용이하게 구성할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 냉각하는 냉각판(20)을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태의 배터리 팩 어셈블리에 있어서 길이방향 전지 셀 조립체(10)에 냉각판(20)이 부착되는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 상기 냉각판(20)은 파우치형 전지 셀(1)의 두께방향에서 봤을 때, 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 적어도 일측면에 결합될 수 있다. 즉, 냉각판(20)은 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 일측면 혹은 양측면에 결합될 수 있다. 종래에는 배터리 모듈 바닥에 도포된 써멀 레진의 열 전달에 의한 간접적인 냉각방식이었다면, 본 발명은 냉각판(20)이 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 측면에 직접 결합됨으로써, 전지 셀 조립체(10)로부터 발생하는 열을 효율적으로 방출 및 냉각할 수 있다. 냉각판(20)을 전지 셀 조립체(10)에 결합하기 위하여 양면테이프를 전지 셀 조립체(10)에 부착하고 이 양면테이프에 냉각판(20)을 부착할 수 있다. 또는, 냉각판(20)을 접착제에 의하여 상기 전지 셀 조립체(10)에 부착할 수 있다. 전지 셀 조립체를 효과적으로 냉각하기 위하여, 상기 냉각판(20)은 도 3과 같이 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 일측면을 전부 덮는 크기로 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 냉각판(20)은 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 접촉하는 냉각 플레이트(21)와, 상기 냉각 플레이트(21)의 둘레를 따라 형성되는 중공 구조의 냉각매체 유로(22)를 포함한다. 상기 냉각 플레이트(21)는 상기 전지 셀 조립체(10)와 접촉하여 전지 셀 조립체로부터의 열을 방출하는 냉각 핀의 역할을 한다. 상기 냉각매체 유로(22)는 배터리 팩 어셈블리의 외부에 설치되는 냉각장치 내지 냉각유로와 연결되어 그 냉각매체 유로를 흐르는 냉각매체가 냉각 플레이트(21) 및 전지 셀 조립체(10)를 냉각하도록 한다.
상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 상기 냉각판(20)을 파우치형 전지 셀(10)의 두께 방향으로 소정 개수 적층 배치한 적층체로 함으로써, 배터리 모듈을 구성하지 않고도 곧바로 배터리 팩 구조를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태의 배터리 팩 어셈블리에 있어서 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)이 전지 셀의 두께방향으로 적층 부착된 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 팩 어셈블리는, 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층 배치한 적층체(50)로 함으로써 구성된다. 상술한 바와 같이, 12개의 전지 셀(1)을 연결하여 형성된 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 전지 셀의 두께방향으로 8개 적층하면 96개의 전지 셀을 구비한 배터리 팩을 구성할 수 있다. 이 때, 냉각판(20)은 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 적어도 일측면에 결합되도록 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 사이에 배치된다. 즉, 상기 냉각판(20)은 냉각 기능을 수행할 수 있도록 적층 배치된 길이방향 전지 셀 조립체(10) 사이에서 적어도 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 어느 한 측면에 부착되어 있으면 된다. 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 두께방향으로 적층 배치된 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 적어도 어느 한 측면은 반드시 냉각판(20)과 결합되어 있다. 따라서, 각 길이방향 전지 셀 조립체의 냉각이 가능하다. 도 4에서 냉각판(20)이 배치되어 있지 않은 길이방향 전지 셀 조립체(10) 사이는 설명의 편의를 위하여 간격을 두어 도시하였다. 그러나, 서로 대향하는 길이방향 전지 셀 조립체(10) 끼리 양면테이프나 접착제에 의하여 결합함으로써, 적층체(50)를 컴팩트하게 구성할 수 있다.
한편, 냉각 기능을 보다 강화하기 위하여 각 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 양측면에 냉각판(20)을 결합하는 것도 가능하다. 이 경우는 도 4의 도면에서 냉각판(20)이 배치되어 있지 않은 전지 셀 조립체(10)의 사이와, 두께방향으로 최상단 및 최하단에 배치된 전지 셀 조립체(20)의 측면에 냉각판(20)들이 추가적으로 배치된 형태가 된다. 즉, 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)을 전지 셀의 두께방향으로 교대로 적층한 형태가 된다.
상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)으로 구성된 적층체(50)는, 일종의 배터리 팩 반제품이라 할 수 있다. 상기 적층체(50)를 트레이에 수용하여 이 트레이를 이동시킴으로써, 적층체의 보관 및 운반을 용이하게 행할 수 있다.
도 5는 도 4의 적층 부착된 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판이 트레이에 수용된 상태를 나타낸 개략도이다.
도시된 바와 같이, 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판으로 구성된 적층체(50)가 트레이(30)에 수용되어 있다. 상기 적층체(50)가 트레이(30) 내에서 유동되는 것을 방지하기 위하여, 트레이 내측면에 접착제를 도포하여 적층체(50)를 트레이(30) 내에 부착시킬 수 있다.
혹은, 트레이(30) 자체를 배터리 팩의 케이스로 하고, 이 케이스 내부 또는 외부에 배터리 팩의 작동을 위한 소정 부품(전후 버스바 어셈블리 또는 전후 단부판 어셈블리)들을 결합함으로써, 배터리 팩으로 최종 완성할 수 있다.
상기 트레이(30)는, 상기 적층체(50)의 형태에 부합하도록 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 두께방향으로 양측단에 위치하며 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향으로 연장되는 양측판(31,31')과, 상기 양측판 사이에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 두께방향으로 연장되며 동시에 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향으로 연장되는 바닥판(32)과, 상기 양측판 사이에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 폭방향으로 연장되며 상기 바닥판의 전단 및 후단에 결합되는 전단부판(33) 및 후단부판(34)을 구비하고 있다. 상기 바닥판(32), 양측판(31,31'), 전단부판 및 후단부판(33,34)을 일체로 형성하면, 트레이(30)에 적층체(50)를 수용 및 고착시킴으로써, 배터리 팩 제조를 극히 단순화된 공정으로 행할 수 있다.
이 경우, 상기 트레이(30)의 전단부판(33)으로부터 상기 냉각판(20)의 냉각매체 유로(22)로부터 연장되는 냉각매체 유입로(22a)와 냉각매체 유출로(22b)가 돌출되도록 구성할 수 있다(도 5 참조). 상기 냉각매체 유입로(22a)와 유출로(22b)는 도시되지 않은 냉각수단(냉각 매니폴드) 혹은 차량에 설치된 냉각유로와 연결될 수 있다.
본 발명의 배터리 팩 어셈블리(100)는 도 5의 상태로 보관, 이동할 수 있지만, 상부 커버(도시하지 않음)로 상기 트레이(30)를 덮도록 하여 보관 및 이동시킬 수 있다. 본 실시예에서는 상기 트레이(30)가 U자형의 일체 프레임으로 구성되어 있으므로, 적층체(50)를 트레이(30) 내에 수용하고 상부 커버를 닫기만 하면 배터리 팩 어셈블리(100)의 조립이 완료된다. 상부 커버를 트레이(30)에 장착시 소정의 실링부재를 이용하여 상부 커버가 트레이에 밀폐 결합되도록 할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 배터리 팩 어셈블리 제조방법을 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 2와 같이 파우치형 전지 셀(1)을 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열하고, 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자(1c)끼리 용접, 예컨대 스폿 용접하여 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 형성한다.
다음에, 상기 파우치형 전지 셀(1)의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 적어도 일측면에 냉각판(20)을 부착한다.
다음에, 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)의 적층체를 형성하기 위하여, 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)을 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층한다. 이 때, 상기 냉각판(20)은 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 일측면 또는 양측면에 양면테이프나 접착제에 의하여 부착할 수 있다.
적층체(50)가 완성되면, 상기 적층체(50)를 트레이(30)에 수용한다.
이상과 같이, 본 발명은 인접하는 파우치형 전지 셀(1)을 그 단자(1c)끼리 용접하여 길이방향으로 일렬로 길게 배열된 길이방향 전지 셀 조립체(10)로 함으로써, 전지 셀 조립체를 연결하기 위한 별도의 단위 프레임이나 연결부재를 필요로 하지 않는다. 따라서, 배터리 팩을 구성하기 위한 전지 셀의 연결방식이 대폭 간소화되고 소요되는 부품의 수도 크게 감소한다. 예컨대, 종래의 방식에 의하면 96개의 전지 셀로 구성된 배터리 팩을 제조하기 위하여, 버스바 프레임 전후 어셈블리, 전후 단부판 어셈블리 및 프레임 어셈블리가 4개씩 필요하지만, 본 발명에 의하면, 버스바 프레임 전후 어셈블리, 전후 단부판 어셈블리는 1개로 충분하다.
또한, 길이방향 전지 셀 조립체(10)를 덮으면서 그 일측면에 직접 접촉하는 냉각판(20)으로 냉각수단을 구성함으로써, 냉각효율을 크게 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 길이방향 전지 셀 조립체(10)의 적어도 일측면에 냉각판(20)을 부착하고, 이를 소정 개수 적층한 적층체(50)를 트레이(30)에 수용하는 것으로, 복수개의 모듈을 구성함이 없이 곧바로 배터리 팩을 구성할 수 있으므로, 제조공정이 크게 단순화된다. 또한 모듈을 구성함에 따른 모듈 케이스 등 추가적인 부품도 요구되지 않는다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태의 배터리 팩 어셈블리(200)에 있어서 압축패드, 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판이 적층 부착된 상태를 나타내는 개략도이다.
도 6의 실시형태는, 도 2 내지 도 4의 적층체에 압축패드(40)가 추가로 구비된 것이다.
파우치형 전지 셀은 충방전을 반복함에 따라 파우치 케이스가 부풀어오르는 스웰링(swelling) 현상을 일으킨다. 따라서, 이러한 스웰링을 흡수하기 위하여 압축패드를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 소정 개수의 전지 셀 조립체가 두께방향으로 적층 배치되므로, 대면하는 전지 셀들을 절연할 필요가 있을 수 있다. 상기 압축패드는 이와 같이 전지 셀 간 절연 및 스웰링 흡수 기능을 할 수 있다.
따라서, 예컨대 도 4에서 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 냉각판이 설치되지 않은 길이방향 전지 셀 조립체(10) 사이의 부분에 상기 압축패드(40)를 설치할 수 있다. 전지 셀 조립체(10) 사이에 압축패드(40)가 설치됨으로써, 길이방향 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)이 밀착 가압된다. 이에 의하여, 전지 셀 조립체(10)와 냉각판(20)이 더욱 밀착되므로, 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 압축패드(40)에 의하여 제조시의 조립 공차도 흡수할 수 있다.
한편, 상기 압축패드(40)는 양면테이프 또는 접착제에 의하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체(10)에 부착될 수 있다. 또한, 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 적층체(50')의 최하단 및 최상단에 상기 압축패드(40)를 각각 배치함으로써, 최하단과 최상단 사이의 적층체를 가압할 수 있다. 이에 의하여 적층체(50')가 전지 셀의 두께방향으로 빈틈없이 컴팩트하게 밀착될 수 있다.
도 7은 도 6의 적층 부착된 압축패드, 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판이 트레이에 수용된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 6의 적층체(50')는 양측의 압축패드(40)에 의하여 컴팩트하게 가압되지만, 트레이(30)에 수용된 후에는 복원력에 의하여 도 6의 가압방향과 반대방향으로 약간 팽창될 수 있다. 이러한 팽창현상에 의하여 상기 적층체(50')는 트레이(30)의 양측판 내벽에 밀착되므로, 적층체(50')를 트레이 내에 단단하게 고착시킬 수 있다.
이상 본 발명의 배터리 팩 어셈블리에 의하면, 제조 부품과 제조 공수를 대폭 저감할 수 있으므로, 제조 비용을 크게 낮출 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩 어셈블리는 트레이에 수용된 상태로 자동차 제조 공장 등으로 간편하게 이송할 수 있는 반제품 배터리 팩 내지 세미(semi) 배터리 팩이라 할 수 있다. 이러한 반제품 배터리 팩을 이송 후, 적층체가 트레이에 수용된 상태에서 인터버스바나 버스바 어셈블리 등 길이방향 전지 셀 조립체를 전기적으로 연결하는 부재나 BMS 등 배터리 팩에 필요한 부품들을 설치한 후에, 상부 커버로 트레이를 닫으면 배터리 팩을 매우 간편하게 조립 및 제조할 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1: 파우치형 전지 셀
1a: 셀 부분
1b: 파우치
1c: 전지 단자
10: 길이방향 전지 셀 조립체
S: 스팟 용접 부위
20: 냉각판
21: 냉각 플레이트
22: 냉각매체 유로
22a: 냉각매체 유입로
22b: 냉각매체 유출로
30: 트레이
31,31': 양측판
32: 바닥판
33: 전단부판
34: 후단부판
40: 압축패드
50.50': 적층체
100, 200: 배터리 팩 어셈블리

Claims (16)

  1. 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열된 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자끼리 용접하여 형성된 길이방향 전지 셀 조립체; 및
    상기 길이방향 전지 셀 조립체를 냉각하는 냉각판을 포함하고,
    상기 길이방향 전지 셀 조립체가 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층 배치되고, 상기 냉각판이 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 적어도 일측면에 결합되도록 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 사이에 배치되어 이루어지는 상기 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판의 적층체를 포함하여 구성되는 배터리 팩 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판이 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 교대로 적층되어 상기 적층체를 형성하는 배터리 팩 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각판은 양면테이프 또는 접착제에 의하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체에 부착되는 배터리 팩 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적층체는, 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 냉각판이 설치되지 않은 길이방향 전지 셀 조립체 사이에 설치되어 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판을 가압하는 압축패드를 더 포함하는 배터리 팩 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압축패드는 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 적층체의 최하단 및 최상단에 각각 배치되어, 최하단과 최상단 사이의 적층체를 가압하는 배터리 팩 어셈블리.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압축패드는 양면테이프 또는 접착제에 의하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체에 부착되는 배터리 팩 어셈블리.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 냉각판은 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 일측면을 전부 덮는 크기로 형성되는 배터리 팩 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각판은 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 접촉하는 냉각 플레이트와, 상기 냉각 플레이트의 둘레를 따라 형성되는 중공 구조의 냉각매체 유로를 포함하는 배터리 팩 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적층체를 수용하는 트레이를 더 포함하는 배터리 팩 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 트레이는,
    상기 길이방향 전지 셀 조립체의 두께방향으로 양측단에 위치하며 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향으로 연장되는 양측판과,
    상기 양측판 사이에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 두께방향으로 연장되며 동시에 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 길이방향으로 연장되는 바닥판과,
    상기 양측판 사이에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 폭방향으로 연장되며 상기 바닥판의 전단 및 후단에 결합되는 전단부판 및 후단부판을 구비하는 배터리 팩 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 바닥판, 양측판, 전단부판 및 후단부판은 일체로 형성되는 배터리 팩 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 트레이의 전단부판으로부터 상기 냉각매체 유로의 냉각매체 유입로와 냉각매체 유출로가 돌출되는 배터리 팩 어셈블리.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 트레이를 덮는 상부 커버를 더 구비한 배터리 팩 어셈블리.
  14. 파우치형 전지 셀을 길이방향으로 일렬로 소정 개수 배열하고, 인접하는 파우치형 전지 셀의 전극 단자끼리 용접하여 길이방향 전지 셀 조립체를 형성하는 단계;
    상기 파우치형 전지 셀의 두께방향에서 상기 길이방향 전지 셀 조립체의 적어도 일측면에 냉각판을 부착하는 단계;
    상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판을 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 소정 개수 적층하여 상기 길이방향 전지 셀 조립체 및 냉각판의 적층체를 형성하는 단계; 및
    상기 적층체를 트레이에 수용하는 단계를 포함하는 배터리 팩 어셈블리 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 적층체 형성시에 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 냉각판이 설치되지 않은 길이방향 전지 셀 조립체 사이에 상기 길이방향 전지 셀 조립체와 냉각판을 가압하는 압축패드를 설치하여 상기 적층체를 형성하는 배터리 팩 어셈블리의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 압축패드를 상기 파우치형 전지 셀의 두께방향으로 상기 적층체의 최하단 및 최상단에 각각 배치하여 최하단과 최상단 사이의 적층체를 가압하는 배터리 팩 어셈블리의 제조방법.
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