KR20230037437A - 파우치형 배터리 셀의 길이 방향 확장 구조를 적용한 셀 어셈블리, 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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유재민
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Abstract

본 발명에 따르면, 하나 이상의 제1 파우치형 배터리 셀;과 상기 제1 파우치형 배터리 셀의 길이 방향을 따라 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 일렬 배치되는 다른 하나 이상의 제2 파우치형 배터리 셀; 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 상기 제2 파우치형 배터리 셀 사이에 배치되고 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 상기 제2 파우치형 배터리 셀을 전기적으로 연결시키는 브릿지 버스바 유닛; 및 상기 제1 파우치형 배터리 셀, 상기 브릿지 버스바 유닛 및 상기 제2 파우치형 배터리 셀로 이루어진 셀 유닛을 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버를 포함하는 셀 어셈블리 및 상기 셀 어셈블리를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.

Description

파우치형 배터리 셀의 길이 방향 확장 구조를 적용한 셀 어셈블리, 이를 포함하는 배터리 팩{A cell assembly to which a longitudinal extension structure of a pouch battery cell is applied and a battery pack including the same}
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩의 조립시 종래의 배터리 모듈 조립 공정을 생략하고, 파우치형 배터리 셀들을 직접 팩 케이스에 탑재할 수 있도록 구성한 셀 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 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.
이에, 다양한 디바이스에 대한 이차전지의 적용이 증가하고 있다. 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 이차전지들 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용하고 있다. 즉, 종래의 배터리 팩은 그 하위 개념으로 배터리 모듈을 포함하고, 배터리 모듈은 그 하위 개념으로 배터리 셀을 포함한다. 그리고 배터리 모듈에 들어가는 배터리 셀의 개수 또는 배터리 팩에 들어가는 배터리 모듈의 개수는 전기자동차에 요구되는 배터리 팩의 출력이나 용량에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
일 예로서 전기자동차용 배터리 팩의 배터리 모듈들은, 도 1에 도시한 바와 같이, 크로스 빔들을 포함한 팩 케이스 내부에 수납될 수 있다. 여기서 상기 크로스 빔들은 팩 케이스의 강성을 보강하기 위한 프레임으로 외부 충격시 팩 케이스의 뒤틀림 등, 팩 케이스의 변형을 억제하는 작용을 한다. 팩 케이스는 상기 크로스 빔들에 의해 내부 공간이 구획되고, 상기 구획된 공간(S)에 배터리 모듈이 배치될 수 있다. 도 1에는 배터리 모듈을 매우 단순하게 표현하였지만, 실제 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀들과, 다수의 배터리 셀들을 전기적으로 연결하기 위한 버스바들, 배터리 셀들의 전압과 온도 센싱을 위한 센싱 와이어 및 상술한 구성품들을 일체로 수납하기 위한 모듈 케이스 등을 포함하여 구성된다. 또한, 팩 케이스 내부에는 각 배터리 모듈의 충방전을 관리,제어하기 위한 BMS 장치와, 미도시 하였으나, 상기 배터리 모듈들을 상호 연결하기 위한 플랙서블 버스바나 케이블들이 수납된다.
한편, 파우치형 배터리 셀의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 파우치형 배터리 셀을 채용한 배터리 팩의 경우, 다수의 파우치형 배터리 셀을 적층하여 셀 적층체를 형성한 후, 적층된 파우치형 배터리 셀들을 전기적으로 연결하고 모듈 케이스로 패키징하여 배터리 모듈을 제조한 다음, 이러한 배터리 모듈을 하나 이상 팩 케이스에 수납한 형태로 제조되는 것이 일반적이다. 일 예로서 종래의 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈은, 아래의 선행문헌(한국공개번호 제10-2015-0044599호) 등에 개시된 바와 같이, 카트리지라고도 불리는 플라스틱 재질의 적층용 프레임, 셀 적층 방향 양단의 플레이트, 볼트와 같은 체결 부재 등 여러 구성요소를 이용하여 다수의 파우치형 배터리 셀을 적층하여 셀 적층체를 형성하고 상기 셀 적층체를 다시 모듈 케이스 내부에 수납한다.
이와 같은 배터리 모듈들을 포함한 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도 측면에서 불리할 수 있다. 예컨대, 다수의 배터리 셀을 모듈 케이스 내부에 수납하여 모듈화시키는 과정에서, 모듈 케이스 또는 적층용 프레임 등 여러 구성요소로 인해 배터리 모듈의 부피가 불필요하게 증가하거나 배터리 셀이 차지하는 공간이 줄어들 수 있다. 더욱이, 모듈 케이스나 적층용 프레임 등의 구성요소 자체가 차지하는 공간은 물론이고, 이러한 구성요소들에 대한 조립 공차를 확보하기 위해 배터리 셀의 수납 공간이 줄어들 수 있다. 따라서, 상기와 같은 배터리 모듈들을 사용하여 배터리 팩을 조립할 경우, 에너지 밀도를 높이는데 한계가 있다.
또한, 종래 배터리 팩의 경우, 팩 케이스 내부에 모듈 케이스가 수납되고, 모듈 케이스 내부에 배터리 셀이 수납되므로, 우수한 냉각성을 확보하기 어렵다는 문제도 있다. 특히, 모듈 케이스 내부에 수납된 배터리 셀들의 열을 모듈 케이스를 거쳐 팩 케이스 외부로 배출시키는 경우, 냉각 효율이 떨어지고, 냉각 구조도 복잡해질 수 있다.
그런데 전기자동차 시장이 급성장하면서 전기자동차의 성능 및 완충시 최장 주행가능 거리가 더욱 중요시되고 있다. 이 때문에 종래의 배터리 팩보다 에너지 용량이 높고 배터리 냉각 성능도 우수한 새로운 배터리 팩에 대한 니즈가 점점 커지고 있다. 이에 에너지 용량을 증대시키기 위한 일환으로써 최근 CTP(Cell To Pack, 배터리 모듈 단위를 생략하고 배터리 셀을 배터리 팩의 케이스 내부에 직접 조립하는 방식을 의미함) 타입의 배터리 팩이 이슈화되고 있으나, 최근까지 CTP 타입으로 배터리 셀을 팩 케이스에 탑재하기 위한 방안이 마땅치 않은 실정이다.
대한민국 공개특허 공개번호 제10-2015-0044599호 (공개일자: 2015년 04월 27일)
본 발명은 CTP(Cell To Pack) 타입의 배터리 팩에 공간 효율적으로 설치할 수 있는 셀 어셈블리를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 셀 어셈블리를 적용하고 팩 케이스의 수납공간 활용률을 극대화하여 에너지 용량이 현저히 향상될 수 있도록 구성한 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에너지 밀도, 조립성, 냉각성 및/또는 안전성 등이 우수한 배터리 팩 및 자동차 등을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
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 발명의 일 측면에 따르면, 각각 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀을 구비하고, 상호 간 일렬로 배열되는 복수 개의 셀 뱅크; 상기 복수 개의 셀 뱅크 사이에 배치되고 상기 셀 뱅크들 간을 전기적으로 연결하는 브릿지 버스바 유닛; 및 상기 복수 개의 셀 뱅크들과 상기 브릿지 버스바 유닛으로 이루어진 셀 유닛을 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버를 포함하는 셀 어셈블리가 제공될 수 있다.
상기 복수 개의 셀 뱅크는, 하나의 셀 뱅크를 형성하는 하나 이상의 제1 파우치형 배터리 셀;과 다른 하나의 셀 뱅크를 형성하고 상기 제1 파우치형 배터리 셀의 길이 방향을 따라 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 일렬 배치되는 다른 하나 이상의 제2 파우치형 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 상기 제2 파우치형 배터리 셀을 세워진 상태로 지지하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 커버는, 감싸진 상기 제1 파우치형 배터리 셀 및 상기 제2 파우치형 배터리 셀의 상측 또는 하측이 노출되도록 상기 제1 파우치형 배터리 셀 및 상기 제2 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸도록 구성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀은, 전극 조립체가 수납된 수납부 및 상기 수납부 주위에 에지부를 구비하고, 상기 셀 커버는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상부측 에지부와 하부측 에지부 중 어느 한 부분과, 상기 수납부를 덮도록 마련될 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 하부측 에지부의 하부를 감싸도록 구성된 하측커버부; 상기 하측커버부의 일단으로부터 상부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 일측 수납부의 외측을 감싸는 제1 측면커버부; 및 상기 제1 측면커버부로부터 이격된 위치에서 상기 하측커버부의 타단으로부터 상부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 타측 수납부의 외측을 감싸는 제2 측면커버부를 포함할 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상부측 에지부의 상부를 감싸도록 구성된 상측커버부; 상기 상측커버부의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 일측 수납부의 외측을 감싸는 제1 측면커버부; 및 상기 제1 측면커버부로부터 이격된 위치에서 상기 상측커버부의 타단으로부터 하부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 타측 수납부의 외측을 감싸는 제2 측면커버부를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀은, 상기 에지부로서 실링부와 미실링부를 포함하며, 상기 셀 커버는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀에 대하여 상기 실링부의 적어도 일부를 감싸고 상기 미실링부는 노출되도록 구성될 수 있다.
상기 셀 커버는, 상기 제1 파우치형 배터리 셀, 상기 브릿지 버스바 유닛 및 제2 파우치형 배터리 셀이 순서대로 일렬 배치된 길이에 대응하는 길이를 갖도록 마련되고, 상기 브릿지 버스바 유닛이 위치하는 가운데 영역의 상측 및 하측 중 적어도 어느 한 부분에 내측 방향으로 부분 절개된 형태로 구성된 만입부를 구비할 수 있다.
상기 제1 파우치형 배터리 셀 및 제2 파우치형 배터리 셀은 전극 리드가 양방향으로 돌출된 양방향 파우치형 배터리 셀이 채용될 수 있다.
상기 제1 파우치형 배터리 셀은 제1 극성의 전극 리드가 상기 브릿지 버스바 유닛에 접속되고, 상기 제2 파우치형 배터리 셀은 제2 극성의 전극 리드가 상기 브릿지 버스바 유닛에 접속될 수 있다.
상기 브릿지 버스바 유닛은, 전기 절연성 소재이고 속이 빈 통 형상으로 마련된 버스바 하우징; 및 상기 버스바 하우징의 내부에 일부분이 삽입되고 전도성 소재로 마련된 버스바를 포함하며, 상기 제1 파우치형 배터리 셀의 전극 리드와 상기 제2 파우치형 배터리 셀의 전극 리드가 상기 버스바 하우징의 내부에서 각각 상기 버스바의 일면과 타면에 고정되게 접촉될 수 있다.
상기 버스바 하우징은, 일 측면부와 그 반대 측면부에 각각 상기 제1 파우치형 배터리 셀 또는 제2 파우치형 배터리 셀의 전극 리드를 삽입할 수 있게 마련된 하나 이상의 슬롯;과 상면부에 상기 버스바를 상하 방향으로 삽입할 수 있게 마련된 삽입구를 구비할 수 있다.
상기 버스바 하우징은, 상기 슬롯이 없는 측면부에 용접을 위한 개구부를 구비할 수 있다.
상기 버스바는 절곡된 상단부를 구비하고, 상기 절곡된 상단부가 상기 삽입구의 외측에 노출되도록 구성될 수 있다.
상기 버스바 하우징은 그 상면부가 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상단보다 낮은 높이에 위치하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 셀 어셈블리가 제1 방향으로 복수 개 적층되어 마련된 셀 어셈블리 그룹; 상기 셀 어셈블리 그룹이 안착되는 팩 트레이와, 상기 팩 트레이와 상호 결합하여 상기 셀 어셈블리 그룹을 커버하는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스; 및 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 셀 어셈블리 그룹의 상부에 배치되며, 각 상기 셀 어셈블리 그룹의 상기 브릿지 버스바 유닛에 구비되는 버스바와 전기적으로 연결되는 전압 센싱 유닛을 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 셀 어셈블리 그룹은 상기 팩 트레이의 상면에 접착되어 고정될 수 있다.
상기 전압 센싱 유닛은, 절연성 소재이고 상기 브릿지 버스바 유닛의 상부에 배치되고, 각 상기 브릿지 버스바 유닛이 위치하는 영역마다 천공 형성된 센싱홀들을 구비하는 센싱 프레임; 및 상기 센싱 프레임의 상부에 배치되는 센싱 회로기판;를 포함하고, 상기 센싱 프레임의 상부에 배치되는 센싱 회로기판;를 포함하고,
상기 센싱 회로기판에 구비되는 센싱단자는 각각 상기 센싱홀을 통과해 상기 브릿지 버스바 유닛에 구비되는 버스바와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 셀 어셈블리 그룹은 제1 셀 어셈블리 그룹과 제2 셀 어셈블리 그룹을 포함하고, 상기 제1 셀 어셈블리 그룹과 상기 제2 셀 어셈블리 그룹 사이에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되고 상기 팩 트레이에 고정 결합되는 제1 크로스 빔을 포함할 수 있다.
상기 전압 센싱 유닛의 상부에 위치하고, 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 팩 트레이에 고정 결합되는 제2 크로스 빔을 포함할 수 있다.
상기 팩 케이스는, 히트싱크를 구비하며, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀과 상기 히트싱크 사이에 써멀 레진이 구비될 수 있다.
상기 히트싱크는, 상기 셀 커버의 상부와 하부에 각각 배치되는 상부 히트싱크와 하부 히트싱크를 포함할 수 있다.
상기 셀 커버는, 적어도 일측 단부가 상기 팩 케이스에 끼움 결합되게 구성될 수 있다.
상기 셀 어셈블리는, 길이 방향에 따른 적어도 일단부에서 상기 셀 커버의 상측 또는 하측으로 가스가 이동할 수 있는 디렉셔널 벤팅공간이 상기 셀 커버의 내부에 구비될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상기 디렉셔널 벤팅공간과 연통하는 가스 배기구를 구비할 수 있다.
소정의 압력 또는 열에 의해 파열되는 파열 디스크가 상기 가스 배기구에 장착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나 이상의 파우치형 배터리 셀과 또 다른 하나 이상의 파우치형 배터리 셀을 브릿지 버스바 유닛을 이용해 길이 방향으로 연결함으로써 일체화된 롱 셀 형태로 구현된 셀 어셈블리가 제공될 수 있다.
이러한 셀 어셈블리를 이용해 파우치형 배터리 셀들을 배터리 팩의 팩 케이스에 직접 조립함으로써 배터리 팩의 공간 활용률을 극대화하고 에너지 용량을 현저히 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 팩을 구성함에 있어 배터리 모듈의 모듈 케이스 등이 생략된다. 따라서, 이러한 모듈 케이스가 차지하는 공간을 줄여, 팩 케이스 내부에 더욱 더 많은 배터리 셀이 배치될 수 있다. 그러므로 배터리 팩의 에너지 밀도가 더욱 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 배터리 팩의 조립성이 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 모듈 케이스에 파우치형 배터리 셀을 수납하여 배터리 모듈을 마련하는 공정, 이와 같이 마련된 배터리 모듈을 하나 이상 팩 케이스에 수납하는 공정 등이 수행되지 않을 수 있다. 따라서, 제조 공정이 간소화되고, 제조 시간이 줄어들 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 배터리 팩의 팩 케이스에 다수의 파우치형 배터리 셀을 상하 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향으로 나란하게 적층시키는 구성이 용이하면서도 안정적으로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 연질의 파우치형 배터리 셀을 팩 케이스 내부에 수납시키는 과정에서, 파우치형 배터리 셀을 직접 파지하지 않고 셀 커버를 파지할 수 있다. 따라서, 파우치형 배터리 셀을 핸들링하는 공정이 보다 용이하고 안전하게 이루어질 수 있다. 더욱이, 이 경우, 파우치형 배터리 셀을 팩 케이스 내부에 수납하는 등 셀의 핸들링 과정에서, 파우치형 배터리 셀이 손상되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 배터리 팩의 냉각 효율이 보다 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성의 경우, 각 파우치형 배터리 셀의 일부가 팩 케이스에 직접 노출되므로, 각 파우치형 배터리 셀의 열이 팩 케이스를 통해 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀의 넓은 표면을 통해 추가적인 면 냉각이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 팩의 안전성이 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 각 배터리 셀로부터 배출된 가스 등이 외부로 원활하게 배출될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀로부터 배출된 가스나 화염 등의 배출 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 인접한 배터리 셀 간 열폭주 전파가 효과적으로 방지될 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 팩의 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛과 셀 커버를 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀들과, 브릿지 버스바 유닛의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 브릿지 버스바 유닛의 분해 사시도이다.
도 6은 도 3의 A 영역 확대도이다.
도 7은 도 5에서 브릿지 버스바 유닛을 상부(a),일측부(b),타측부(c)를 각각 바라본 것을 도시한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리의 중앙 영역을 상부에서 바라본 도면이다.
도 9는 도 8의 셀 어셈블리의 중앙 영역을 하부에서 바라본 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리 4개를 적층하여 구성한 하나의 셀 어셈블리 그룹을 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 B-B'에 따른 셀 어셈블리 그룹의 절개도이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 복수 개의 셀 어셈블리 그룹들, 제1 크로스 빔, 팩 트레이의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 14는 도 12에서 전압 센싱 유닛 및 제2 크로스 빔을 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 브릿지 버스바 유닛과 전압 센싱 유닛의 조립 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리의 주요 구성을 분리하여 도시한 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리의 사시도이다.
도 19는 도 18의 셀 어셈블리의 중앙 영역을 상부에서 바라본 도면이다.
도 20은 도 18의 셀 어셈블리의 중앙 영역을 하부에서 바라본 도면이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리 4개를 적층하여 구성한 하나의 셀 어셈블리 그룹의 사시도이다.
도 22는 도 21의 셀 어셈블리 그룹의 부분 분해 사시도이다.
도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 주요 구성들을 분리하여 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 냉각 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 셀 커버의 변형예를 도시한 도면이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 팩 트레이의 변형예를 도시한 도면이다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 셀 어셈블리 그룹의 일단부 영역을 하부에서 바라본 도면이다.
도 29은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 가스벤팅 구성을 개략적으로 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.
또한, 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. 도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
본 발명에 따른 셀 어셈블리는 각각 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀을 구비하고, 상호 간 일렬로 배열되는 복수 개의 셀 뱅크들과 상기 복수 개의 셀 뱅크들 사이에 배치되고 상기 셀 뱅크들 간을 전기적으로 연결하는 브릿지 버스바 유닛(120) 및 상기 복수 개의 셀 뱅크들과 상기 브릿지 버스바 유닛(120)으로 이루어진 셀 유닛을 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버(130)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 셀 뱅크은 1개의 파우치형 배터리 셀(110) 또는 2개 이상의 파우치형 배터리 셀(110)이 적층된 상태로 전기적으로 병렬 연결된 일군의 파우치형 배터리 셀을 의미한다. 즉, 본 명세서에서 제1 파우치형 배터리 셀(110A)가 하나의 셀 뱅크에 대응하고 제2 파우치형 배터리 셀(110B)가 다른 하나의 셀 뱅크에 대응한다.
이하에서 설명할 실시예들은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니다. 즉, 이하에서 설명할 실시예와 달리 본 발명의 셀 어셈블리는 3개 또는 4개 이상의 셀 뱅크를 포함하여 구성될 수도 있다. 따라서 이하에서 일렬 배치된 2개의 셀 뱅크로서, 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 제2 파우치형 배터리 셀(110B)을 직렬 연결하고 이것들을 셀 커버(130)로 부분적으로 감싼 셀 어셈블리(100)에 대해서만 본 발명의 권리범위가 제한 해석되어서는 아니됨을 미리 밝혀둔다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)의 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛과 셀 커버(130)를 분리하여 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀들(110A,110B)과, 브릿지 버스바 유닛(120)의 분해 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)는 하나 이상의 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과, 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)의 길이 방향(X방향)을 따라 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 일렬로 배치되는 다른 하나 이상의 제2 파우치형 배터리 셀(110B)과, 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B) 사이에 배치되고 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)을 전기적으로 연결시키는 브릿지 버스바 유닛(120) 및 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A), 상기 브릿지 버스바 유닛(120) 및 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)로 이루어진 셀 유닛을 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버(130)를 포함한다.
파우치형 배터리 셀(110)은 전극 조립체, 전해질, 상기 전극 조립체와 전해질을 밀봉 수납하기 위한 파우치 외장재 그리고 상기 전극 조립체와 연결되고 파우치 외장재 밖으로 인출되는 전극 리드(111)를 포함한다. 상기 전극 리드(111)는 양극 리드(111A)와 음극 리드(111B)를 한 쌍으로 포함한다. 여기서 상기 양극 리드(111A)와 상기 음극 리드(111B)는 배터리 셀의 길이 방향(X축 방향)에 따른 배터리 셀의 양단에 구비된다. 이 같이 구성된 한 쌍의 전극 리드(111)를 구비한 파우치형 배터리 셀(110)을 양방향 파우치형 배터리 셀(110)이라 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)는 상기 양방향 파우치형 배터리 셀(110)들로 구성될 수 있다.
제1 파우치형 배터리 셀(110A)은, 하나의 파우치형 배터리 셀(110) 또는 서로 대면하게 적층한 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들로 구성될 수 있다. 예컨대 본 실시예의 도 2 및 도 3과 같이, 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들을 제1 방향(Y축 방향)으로 적층하여 일군의 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들을 구성할 수 있다. 또한, 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들이 병렬 연결(3P)됨으로써 한 뱅크가 되도록 동일 극성의 전극 리드(111)들을 모두 같은 방향에 위치하도록 할 수 있다. 즉, 도 3과 같이, 3개의 양극 리드(111A)들을 포개고 마찬가지로 3개의 음극 리드(111B)를 포개어 3개의 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들이 한 뱅크를 이루도록 구성할 수 있다.
제2 파우치형 배터리 셀(110B)은, 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 동일한 개수의 파우치형 배터리 셀로 구성될 수 있다. 즉 제2 파우치형 배터리 셀(110B)도 하나의 파우치형 배터리 셀(110) 또는 서로 대면하게 적층한 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들로 구성될 수 있다. 예컨대 상기 3개의 제1 파우치형 배터리 셀들과 마찬가지로 한 뱅크를 이루도록 3개의 파우치형 배터리 셀(110)을 적층하여 일군의 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들을 구성할 수 있다.
상기 일군의 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들과 상기 다른 일군의 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들은 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들의 음극 리드(111B)들과 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들의 양극 리드(111A)들을 전기적으로 연결하여 서로 직렬 연결되게 구성될 수 있다. 이러한 본 실시예에 따른 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 제2 파우치형 배터리 셀(110B)의 구성을 전기적인 관점에서 보면 3P2S 형태로 직렬 및 병렬 연결된 형태이고, 구조적인 관점에서 보면 길이 방향으로 연결되어 일체화된 하나의 롱 셀과 같은 형태라 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 실시 구성과 다른 예로써, 본 발명에 따른 셀 어셈블리(100)는, 파우치형 배터리 셀(110)들을 길이 방향으로 연결하여 전기적으로 nPmS(n은 자연수, m은 2이상의 자연수) 형태이고, 구조적으로는 일체화된 하나의 롱 셀과 같은 형태로 구현될 수 있다. 즉, 예컨대 셀 어셈블리(100)는 파우치형 배터리 셀(110)의 두께에 따라 병렬 연결 개수를 1P,2P, 3P.. 등으로 늘리거나, 상기 파우치형 배터리 셀(110)의 길이에 따라 직렬 연결 개수를 2S,3S,4S.. 등으로 늘린 형태로 구현될 수도 있다. 이 경우, 셀 어셈블리(100)는 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)과 일렬로 배치되고 또 다른 일군의 파우치형 배터리 셀과 브릿지 버스바 유닛(120)을 더 포함할 수 있다.
이하에서 설명의 편의를 위해 전극 리드(111)를 제1 극성의 전극 리드(111)와 제2 극성의 전극 리드(111)로 구분하기로 한다. 여기서 상기 제1 극성과 상기 제2 극성은 전극 리드(111)의 극성을 상대적으로 구분한 것이다. 즉, 제1 극성이 양극이면 제2 극성은 음극을 의미하고 반대로 제1 극성이 음극이면 제2 극성은 양극을 의미한다.
브릿지 버스바 유닛(120)은 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들의 제1 극성의 전극 리드(111)들이 일체로 포개져 일측에서 접속하고, 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들의 제2 극성의 전극 리드(111)들이 일체로 포개져 타측에서 접속 가능하게 마련될 수 있다.
예를들면, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들은 음극 리드(111B)들이 +X 축 방향으로 상기 브릿지 버스바 유닛(120)의 좌측부로 접속되고, 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들은 양극 리드(111A)들이 -X축 방향으로 상기 브릿지 버스바 유닛(120)의 우측부로 접속될 수 있다. 이러한 상기 양극 리드(111A)들과 상기 음극 리드(111B)들은 상기 브릿지 버스바 유닛(120)의 내부에서 버스바(123)의 표면에 용접되어 상호 간 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 브릿지 버스바 유닛(120)은 버스바 하우징(121)과 절곡된 상단부(123a)를 구비한 버스바(123)를 포함한다.
상기 버스바 하우징(121)은 전기 절연성 소재이고 속이 빈 직육면의 통 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 상기 버스바 하우징(121)은 상면부에 버스바(123)를 상하 방향으로 삽입할 수 있는 삽입구(121a)와, 일 측면부와 그 반대 측면부에 각각 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)들의 전극 리드(111)들을 삽입할 수 있는 하나 이상의 슬롯(121b)과, 상기 슬롯(121b)이 없는 양쪽 측면부에 용접을 위한 개구부(121c)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 버스바 하우징(121)은 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 폭 방향(Z축 방향) 너비보다 높이가 낮게 마련될 수 있다. 이 같은 버스바 하우징(121)을 사용하여, 브릿지 버스바 유닛(120)과 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)들을 조립한 때, 도 5와 같이, 버스바 하우징(121)의 상면부가 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)들의 상단보다 낮게 위치하게 된다. 후술하겠으나, 이러한 구성으로 확보되는 브릿지 버스바 유닛(120)의 상부 공간은 배터리 팩(1) 조립시 전압 센싱 유닛(30) 및 제2 크로스 빔(50)의 설치 공간으로 활용될 수 있다.
또한, 상기 버스바 하우징(121)은 도 6과 같이, 하면부가 상부 방향(Z축 방향)을 향해 오목하게 형성된 오목부(121e)를 포함한다. 상기 오목부(121e)는 추후 배터리 팩(1) 조립시 팩 트레이(21)에 구비되는 제3 크로스 빔(24)과의 간섭을 피하기 위한 공간으로 활용될 수 있다.
상기 버스바(123)는 구리 또는 니켈 등과 같은 전기 전도성을 갖는 금속 소재이고 상단부가 절곡된 막대 형상으로 마련된다. 이러한 버스바(123)는 절곡된 상단부(123a)를 제외한 나머지 부분이 상기 삽입구(121a)를 통해 버스바 하우징(121)의 속에 삽입된다. 상기 삽입구(121a)는 버스바(123)의 단면적과 같거나 약간 더 큰 사이즈로 마련되어 버스바(123)의 절곡된 상단부(123a)가 삽입되지 않도록 구성된다. 이러한 구성에 의하면, 상기 버스바(123)의 절곡된 상단부(123a)는 상기 삽입구(121a) 주변에 구비된 버스바 하우징(121)의 받침판(121d) 위에 거치되어 그 상면이 상부 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 이렇게 버스바 하우징(121)의 외측으로 버스바(123)의 절곡된 상단부(123a)를 노출시킴으로써, 추후 배터리 팩(1) 조립시 전압 센싱 유닛(30)의 센싱 단자를 상기 버스바(123)에 용이하게 접촉시킬 수 있다.
도 6과 도 7에 나타낸 실시 구성과 같이, 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들과 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들은 상기 브릿지 버스바 유닛(120)을 중심으로 서로 반대 방향으로 연장되고 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들의 음극 리드(111B)들은 상기 버스바 하우징(121)의 일 측면부의 슬롯(121b)을 통해 버스바 하우징(121)의 내부로 삽입되고, 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들의 양극 리드(111A)들은 상기 버스바 하우징(121)의 타 측면부의 슬롯(121b)을 통해 버스바 하우징(121)의 내부로 삽입될 수 있다.
이렇게 버스바 하우징(121)의 내부에 삽입된 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들의 음극 리드(111B)들은 버스바(123)의 일면에 레이저 용접으로 고정되게 접촉될 수 있다. 이를테면, 용접용 레이저 빔이 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 버스바 하우징(121)의 일측 개구부(121c)를 통해 상기 음극 리드(111B)들에 조사되어 상기 음극 리드(111B)들이 버스바(123)의 일면에 용접될 수 있다.
그리고 버스바 하우징(121)의 내부에 삽입된 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들의 양극 리드(111A)들은 버스바(123)의 타면에 레이저 용접으로 고정되게 접촉될 수 있다. 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들의 음극 리드(111B)들과 마찬가지로, 용접용 레이저 빔이, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 버스바 하우징(121)의 타측 개구부(121c)를 통해 상기 양극 리드(111A)들에 조사되어 상기 양극 리드(111A)들이 버스바(123)의 타면에 용접될 수 있다.
한편, 상기 셀 커버(130)는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(130)는, 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)을 전체적으로 완전히 감싸지 않고, 일부분만 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이와 같이 셀 커버(130)를 구성한 것은, 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)을 셀 커버(130)에 용이하게 조립하고 더 나아가, 팩 케이스(20)에 셀 어셈블리(100)를 조립한 때, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 적어도 일측을 상기 팩 케이스(20)를 향하여 노출되게 하기 위한 것이다.
예를 들어, 도 2 및 도 3의 실시 구성을 참조하면, 셀 커버(130)는, 순서대로 일렬 배치된 제1 파우치형 배터리 셀(110A), 브릿지 버스바 유닛(120) 및 제2 파우치형 배터리 셀(110B)로 형성된 셀 유닛을 감싸는 형태로 구성되되, 감싸진 셀 유닛의 상부는 감싸지지 않는 형태로 구성될 수 있다.
이 경우, 도 12와 같이 배터리 팩을 조립할 때, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 상부측 에지부(E1)가 팩 커버(22)를 향하도록 셀 어셈블리(100)를 팩 트레이(21)에 안착하고 상기 상부측 에지부(E1)에 써멀 레진을 도포하고 팩 커버를 덮음으로써, 각 파우치형 배터리 셀(110)로부터 방출된 열이 상기 써멀 레진을 통해 팩 커버(22)로 직접 전달되도록 구성할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)과 팩 케이스(20) 사이에 별도의 냉각 구조가 구비되지 않아도 되므로, 냉각 구성이 간소하고 효율적일 수 있다.
다시 도 2 내지 도 4를 참조하면, 파우치형 배터리 셀(110)은, R로 표시된 수납부 및 E1~E4로 표시된 에지부를 구비할 수 있다. 여기서, 수납부(R)는, 양극판과 음극판이 세퍼레이터가 개재된 상태로 상호 적층된 형태로 구성된 전극 조립체가 수납된 부분일 수 있다. 또한, 이러한 수납부(R)에는, 전해액이 수납될 수 있다. 그리고, 에지부(E1~E4)는, 이러한 수납부(R)의 주위를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
특히, 에지부는, 파우치형 배터리 셀(110)의 케이스인 파우치 외장재가 실링된 실링부일 수 있다. 예를 들어, 도 4에서, 에지부는 4개 구비되어, 수납부(R)를 기준으로, 각각 상부 측 모서리, 하부 측 모서리, 전방 측 모서리 및 후방 측 모서리에 위치한다고 할 수 있다. 이때, 4개의 에지부(E1~E4)는 모두 실링부일 수 있다. 또는, 4개의 에지부(E1~E4) 중 일부는, 실링부가 아닌 접혀진 형태로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 4의 실시 구성에서, 하부측 에지부(E2)는 파우치 외장재가 접혀진 부분이고, 상부측 에지부(E1), 전방측 에지부(E3) 및 후방측 에지부(E4)는 모두 실링부일 수 있다. 여기서, 4개의 에지부(E1~E4)가 모두 실링된 배터리 셀에 대해서는 4면 실링 셀, 3개의 에지부(E1, E3, E4)가 실링된 배터리 셀에 대해서는 3면 실링 셀이라 지칭할 수 있다.
이와 같은 구성에서, 상기 셀 커버(130)는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 수납부(R) 양측과 에지부(E1~E4)의 일부를 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 셀 커버(130)가 적층된 다수의 파우치형 배터리 셀(110)을 감싸는 형태로 구성된 경우, 최외측 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부의 외측 표면과, 전체 파우치형 배터리 셀(110)의 상측 또는 하측 에지부를 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 셀 커버(130)가 좌우 방향(±Y방향)으로 적층된 3개씩의 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 셀 커버(130)는, 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)에서 좌측 최외곽 배터리 셀의 수납부(R) 외측 표면, 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 하부측 에지부(E2)들, 그리고 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)에서 우측 최외곽 배터리 셀의 수납부(R) 외측 표면을 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
한편, 본 실시예와 다른 예로서, 상기 셀 커버(130)는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 하부측 에지부(E2)들이 아닌 상부측 에지부(E1)들을 감싸는 형태로 구성될 수도 있다. 또 다른 예로서, 하나의 셀 커버(130)가 각각 하나의 파우치형 배터리 셀(110)로 구성된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)을 감싸도록 구성된 경우, 셀 커버(130)는, 상기 하나의 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R) 양측 표면(이를테면, 동일 수납부(R)의 좌측 표면과 우측 표면)과 상측 에지부(E1) 또는 하측 에지부(E2)를 감싸도록 구성될 수도 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 하나의 셀 커버(130)로서, 하나 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 지지 및 보호하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 커버(130)를 통해, 하나 또는 그 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 핸들링하는 공정이 쉽고 안전하게 수행될 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 하나의 셀 커버(130)가, 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)에 대하여 2개의 수납부(R) 표면에 대면될 수 있다. 따라서, 수납부(R)와 셀 커버(130) 사이에서 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 이 경우, 수납부(R)의 넓은 표면을 통해 면 냉각이 구현되어, 냉각 효율이 좋아질 수 있다.
또한, 상기 셀 커버(130)는, 내부에 수용된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)에서 길이 방향(±X방향)에 양쪽 끝부분에 위치한 에지부는 감싸지 않는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(130)는 제1 극성의 전극 리드가 위치한 제1 파우치형 배터리 셀(110A)의 전방측 에지부(E3)와 제2 극성의 전극 리드가 위치한 제2 파우치형 배터리 셀(110B)의 후방측 에지부(E4)를 제외하고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상측 에지부(E1)와 하측 에지부(E2) 중 하나를 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(130)의 노출된 측면으로 화염 등의 배출 방향을 유도할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 구성에 의하면, 전극 리드(111)가 위치하는 셀 커버(130)의 전방 측 및 후방 측이 개방되어 있으므로, 이러한 개방된 방향으로 화염 등이 배출되도록 할 수 있다. 특히, 상기와 같이 전방 및 후방이 개방된 형태로 셀 커버(130)가 구성된 경우, 사이드 디렉셔널 벤팅(side directional venting)이 용이하게 구현될 수 있다.
상기 셀 커버(130)는 일렬 배치된 제1 파우치형 배터리 셀(100A), 브릿지 버스바 유닛(120), 제2 파우치형 배터리 셀(100B)로 이루어진 셀 유닛을 부분적으로 감싸도록 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3과, 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 셀 커버(130)는 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀들(110A,110B)을 일렬로 세워진 상태로 지지하기 위해 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀들(110A,110B)의 양쪽 최외곽면을 타이트하게 압박할 수 있고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)들의 상부측 에지부(E1)를 노출시킬 수 있는 대략 U자 형으로 구성될 수 있다. 이러한 셀 커버(130)는, 외부 충격이나 진동시, 브릿지 버스바 유닛(120)을 축으로 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 제2 파우치형 배터리 셀(110B)이 시계 또는 반시계 방향으로 뒤틀어지는 것을 방지하는 작용을 할 수 있다.
또한, 상기 셀 커버(130)는 기계적 강성이 우수하고 두께가 얇은 박형의 플레이트로 마련됨으로써 추후 배터리 팩(1) 조립시 공간 손실이 최소화되도록 구성될 수 있다. 예컨대 상기 셀 커버(130)는 스틸과 같이 강성이 우수한 금속 재질, 특히 SUS 재질로 구성되는 경우, 셀 유닛의 기립 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 추후 배터리 팩(1)에 셀 유닛을 조립시 상기 셀 유닛의 기립 상태가 보다 확실하게 지지될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 셀 커버는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하측커버부(131), 제1 측면커버부(132) 및 제2 측면커버부(133)를 포함할 수 있다.
여기서, 하측커버부(131)는 내부에 수용된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 하부측 에지부(E2)의 하부를 감싸도록 구성될 수 있다. 특히, 하측커버부(131)는, 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 하부측 에지부(E2)에 접촉되거나 이격되는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 하측커버부(131)는, 평면 형태로 구성될 수 있다.
제1 측면커버부(132)는, 상기 하측커버부(131)의 (+Y방향)일단으로부터 상부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 측면커버부(132)는, 하측커버부(131)의 좌측 단부에서 상부 방향(도면의 +Z 방향)으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 측면커버부(132)는, 평면 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 측면커버부(132)는, 셀 커버(130)의 내부에 수용된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 일측 수납부의 외측을 감싸도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 측면커버부(132)는, 수납부(R)의 외측 표면에 직접 접촉 배치 또는 접착제로 접착될 수 있다.
제2 측면커버부(133)는, 제1 측면커버부(132)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치하고, 상기 하측커버부(131)의 (-Y방향)타단으로부터 상부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면커버부(133)는, 하측커버부(131)의 우측 단부에서 상부 방향(도면의 +Z방향)으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 제2 측면커버부(133)도 제1 측면커버부(132)와 마찬가지로 평면 형태로 구성될 수 있다. 이때, 제2 측면커버부(133)와 제1 측면커버부(132)는 서로 평행하게 구성될 수 있다.
그리고, 제2 측면커버부(132)는, 셀 커버(130)의 내부에 수용된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 타측 수납부(R)의 외측을 감싸도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 측면커버부(132)는, 수납부의 외측 표면에 직접 접촉 배치 또는 접착제로 접착될 수 있다.
상기 제1 측면커버부(132)와 제2 측면커버부(133)의 단면적은 제1 측면커버부(132)와 제2 측면커버부(133)가 마주하는 일렬 배치된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 단면적보다 크게 구비되어 수납부(R)가 외부로 노출되는 것을 방지하여 안전성을 최대한 확보할 수 있다.
또한, 셀 커버(130)는 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A), 상기 브릿지 버스바 유닛(120) 및 제2 파우치형 배터리 셀(110B)이 순서대로 일렬 배치된 길이에 대응하는 길이를 갖도록 마련될 수 있다. 예컨대, 도 3과 같이, 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들과 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들의 일측 끝에서 타측 끝까지 연장된 형태로 구성될 수 있다. 참고로, 본 실시예와 달리, 일군의 파우치형 배터리 셀(110)들을 3S,4S... 등으로 길이 방향으로 더 확장하여 셀 어셈블리(100)를 구성할 경우, 상기 셀 커버(130)는 길이 방향으로 확장된 모든 파우치형 배터리 셀(110)들을 수납할 수 있는 길이를 갖도록 구성될 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 상기 셀 커버(130)는 상기 브릿지 버스바 유닛(120)이 수납되는 위치의 상단 및 하단 중 적어도 한 부분에 내측 방향으로 부분 절개된 형태로 구성된 만입부(135,136)를 구비할 수 있다.
본 실시예에 따른 셀 커버(130)는 도 3에 동그라미로 표시한 부분과 같이, 만입부가 셀 커버(130)의 상단과 하단 2 곳에 구성될 수 있다. 이하에서 셀 커버(130)의 상단에 구비된 만입부를 상측 만입부(135)라 지칭하고, 셀 커버(130)의 하단에 구비된 만입부를 하측 만입부(136)라 지칭하기로 한다.
도 2와 같이, 본 실시예에 따른 셀 어셈블리(100)는 브릿지 버스바 유닛(120)이 위치한 중앙 영역이 내측 방향으로 함몰된 형태로 제공될 수 있다.
이를테면, 브릿지 버스바 유닛(120)에 있어서, 버스바 하우징(121)은 그 상면부가 도 6과 같이, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 상측 에지부(E1)보다 높이가 낮아 셀 커버(130)에 수납한 때, 도 8과 같이, 상기 상측 만입부(135)위로 돌출되지 않게 구성되고, 버스바 하우징(121)의 하면부는 도 9와 같이, 상기 하측 만입부(136) 아래로 돌출되지 않게 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 셀 어셈블리(100), 복수 개의 도 10과 같이 적층하여 셀 어셈블리 그룹(10)을 형성하면, 상기 셀 어셈블리 그룹(10)은 각 셀 어셈블리(100)의 상측 만입부(135)와 하측 만입부(136) 영역이 일방향(±Y 방향)으로 이어져 골짜기 형태 구조를 갖는다. 이렇게 골짜기 형태의 구조는, 도 12 내지 도 14와 같이, 배터리 팩(1)을 조립시 전압 센싱 유닛(30), 제2 크로스 빔(50), 제3 크로스 빔(24)의 설치 공간으로 활용될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 복수 개의 셀 어셈블리(100)들을 제1 방향으로 적층하면 도 10과 같이, 셀 어셈블리 그룹(10)을 마련할 수 있다. 구체적으로, 도 10에 도시한 셀 어셈블리 그룹(10)은 4개의 셀 어셈블리(100)를 제1 방향(Y방향)으로 적층하여 구성한 것이다. 이때, 도 11과 같이, 각 셀 어셈블리(100)의 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들의 제1 극성의 전극 리드(111)들은 포개져서 각 브릿지 버스바 유닛(120)의 버스바(123)의 일면에 고정되게 접촉되고, 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들의 제2 극성의 전극 리드(111)들은 포개져서 각 브릿지 버스바 유닛(120)의 버스바(123)의 타면에 고정되게 접촉되어 직렬 연결될 수 있다.
그리고 4개의 셀 어셈블리(100)들을 전기적으로 연결하기 위해 프런트 버스바 유닛(200)과 리어 버스바 유닛(300)이 사용될 수 있다. 도 10과 같이, 상기 프런트 버스바 유닛(200)은 +X축 방향에 따른 4개의 셀 어셈블리(100)들의 전방부를 일체로 커버할 수 있게 구성된 절연 소재의 프런트 외곽 버스바 하우징과 상기 프런트 외곽 버스바 하우징에 장착되는 복수 개의 판형 버스바들을 포함하고, 상기 리어 버스바 유닛(300)은 -X축 방향에 따른 4개의 셀 어셈블리(100)들의 후방부를 일체로 커버할 수 있게 구성된 절연 소재의 리어 버스바 하우징과 상기 리어 버스바 하우징에 장착되는 복수 개의 판형 버스바들을 포함한다.
상기 프런트 버스바 하우징과 상기 리어 버스바 하우징은 각각 Z축 방향으로 슬롯들을 구비하고 상기 슬롯들에 전극 리드(111)들을 끼워넣어 버스바 하우징의 외측으로 빼내고, 빼내어진 부분을 판형의 버스바들에 용접할 수 있게 구성될 수 있다. 이 같은 프런트 버스바 유닛(200)과 리어 버스바 유닛(300)에 의해 4개의 셀 어셈블리(100)들 간에도 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 복수 개의 셀 어셈블리 그룹들(10A,10B), 제1 크로스 빔(40), 팩 트레이(21)의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 14는 도 12에서 전압 센싱 유닛(30) 및 제2 크로스 빔(50)을 분리하여 나타낸 사시도이고, 도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 브릿지 버스바 유닛(120)과 전압 센싱 유닛(30)의 조립 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
이하에서는, 상기 도면들을 참조하여, 상술한 셀 어셈블리(100)를 적용하여 구성한 본 발명에 따른 배터리 팩(1)에 대해 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 각각 제1 방향(Y방향)으로 적층된 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(10)들, 상기 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(10)들을 수납하기 위한 팩 케이스(20), 전압 센싱 유닛(30), 크로스 빔들(23,40,50), 배터리 제어시스템(60)을 포함한다.
상기 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(10)들은 상술한 셀 어셈블리(100)들의 집합체라 할 수 있으며, 도 12에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(20) 내부에 수납될 수 있다.
상기 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(10)들은 제1 셀 어셈블리 그룹(10A)과 제2 셀 어셈블리 그룹(10B)으로 구분될 수 있다. 이렇게 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(10)들을 제1 셀 어셈블리 그룹(10A)과 제2 셀 어셈블리 그룹(10B)으로 나눈 것은, 도 12 내지 도 13에서 팩 트레이(21)의 제1 크로스 빔(40)을 기준으로 +Y축 방향에 위치한 것과 -Y축 방향에 위치한 것을 편의상 구분하기 위한 것이라고 보아도 좋다.
상기 팩 케이스(20)는 팩 트레이(21)와 팩 커버(22)로 구성될 수 있다.
상기 팩 트레이(21)는 대략 넓은 사각 판형의 바닥판(21B)과, 상기 바닥판(21B)의 가장자리 둘레를 따라 벽체를 형성하는 4개의 측면판을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 팩 트레이(21)에는 제1 크로스 빔(40), 제2 크로스 빔(50), 제3 크로스 빔(24), 격벽(23)이 일체로 구비되거나 추가적으로 조립될 수 있다. 상기 제1 크로스 빔(40), 제2 크로스 빔(50), 제3 크로스 빔(24), 격벽(23)은 외부 충격이나 진동시 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)과 측면판들을 지지하여 팩 트레이(21)의 뒤틀림과 같은 변형을 저지하는 작용을 할 수 있다. 즉, 팩 트레이(21)는 상기와 같은 제1 크로스 빔(40), 제2 크로스 빔(50), 제3 크로스 빔(24), 격벽(23) 등이 추가됨으로써 기계적 강성이 높아질 수 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 팩 트레이(21) 내부에서 바닥판(21B), 격벽(23)과 -X축 방향에 따른 측면판, 그리고 ±Y축 방향에 따른 측면판으로 둘러싸인 공간에 셀 어셈블리(100)들이 채워질 수 있다. 여기서 상기 셀 어셈블리(100)는, 상술한 바 있듯이, 일렬로 배치된 제1 파우치형 배터리 셀(110A), 브릿지 버스바 유닛(120) 및 제2 파우치형 배터리 셀(110B)을 셀 커버(130)로 부분적으로 감싸서 하나의 롱 셀 같은 형태로 구성한 것을 말한다. 이러한 셀 어셈블리(100)를 적층하여 셀 어셈블리 그룹(10)을 형성하고, 다수의 셀 어셈블리 그룹(10)을 팩 트레이(21)에 밀착 배치시킴으로써 팩 트레이(21)에서 데드 스페이스(dead space)를 최소화할 수 있다.
상기 셀 어셈블리 그룹(10)들은 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에 접착 고정되게 구성될 수 있다. 이를 위해 상기 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에는 접착제 (G)내지 접착시트가 구비될 수 있다. 여기서 상기 접착제는 써멀 레진을 의미할 수 있다. 바람직하게는, 상기 접착제(G) 내지 접착 시트는 열 전도성이 우수한 것일 수 있다. 이 경우, 파우치형 배터리 셀(110)들의 열을 외부로 보다 효과적으로 방열시킬 수 있다. 도시하지 않았으나, 상기 접착제와 팩 트레이(21)의 바닥판(21B) 사이에 히트싱크를 배치하거나, 팩 트레이(21)의 바닥판(21B) 아래에 히트싱크를 부착하여 상기 파우치형 배터리 셀(110)들에서 방열된 열을 흡수하도록 구성할 수도 있다.
상기 팩 커버(22)는 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(10)들을 비롯한 기타 구성품들이 차폐시킬 수 있도록 형태로 마련되고 상기 팩 트레이(21)와 상호 결합하도록 구성될 수 있다. 예를 들어 상기 팩 커버(22)와 상기 팩 트레이(21)는 상호 간 볼팅, 접착, 스냅 핏, 용접 등의 방식으로 상호 결합하도록 구성될 수 있다.
한편, 셀 어셈블리(100)는 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들과 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들을 직렬 연결한 형태로 구성되어 있음으로, 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들과 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들이 직렬 연결된 곳에 전압 센싱이 필요하다. 이에 본 발명의 배터리 팩은, 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)들과 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B)들이 직렬 연결된 곳의 전압 센싱을 위해, 각 셀 어셈블리(100)의 브릿지 버스바 유닛(120)의 버스바(123)와 연결되는 전압 센싱 유닛(30)을 포함한다.
구체적으로, 도 14 내지 도 16을 참조하면, 상기 전압 센싱 유닛(30)은 제1 방향으로 연장되고 제1 셀 어셈블리 그룹(10A)과 제2 셀 어셈블리 그룹(10B)의 상부에서 전술한 셀 어셈블리 그룹의 상측 만입부(135)가 이어져 형성된 골짜기 부위에 삽입 배치되고 각 상기 셀 어셈블리 그룹(10)들의 브릿지 버스바 유닛(120)에 구비되는 버스바(123)와 전기적으로 연결되도록 구성된다.
이러한 전압 센싱 유닛(30)은, 도 14와 같이, 센싱 프레임(31)과 센싱 회로기판(32)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 센싱 프레임(31)은 절연성 소재이고 도 11의 셀 어셈블리(100)들의 상측 만입부(135)에 삽입 배치될 수 있다. 또한, 상기 센싱 프레임(31)은, 도 15 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 각 셀 어셈블리(100)의 브릿지 버스바 유닛(120)이 위치하는 영역마다 천공 형성된 센싱홀(31a)들을 구비한다. 상기 센싱홀(31a)들의 아래에는 버스바(123)의 절곡된 상단부(123a)가 위치한다.
상기 센싱 회로기판(32)은 상기 센싱 프레임(31)의 상부에 배치될 수 있는 경성 회로기판 또는 평면연성 인쇄회로기판으로 구현되고, 상기 센싱홀(31a)들에 삽입시킬 수 있는 센싱단자들을 구비할 수 있다.
상기 구성에 의하면, 도 16에 도시한 것과 같이, 센싱단자가 센싱홀(31a)을 통과해서 브릿지 버스바 유닛(120)의 버스바(123), 다시 말하면 버스바(123)의 절곡된 상단부(123a)에 접촉되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전압 센싱 유닛(30)은 케이블 커넥터 또는 FPCB(Flexible Printed Curcit Borad) 등과 같은 신호 전송 부재(미도시)에 의해 배터리 제어시스템(60)과 연결될 수 있고, 상기 신호 전송 부재를 통해 BMS와 데이터를 송수신하도록 구성될 수 있다.
크로스 빔들은 제1 크로스 빔(40), 제2 크로스 빔(50), 제3 크로스 빔(24)을 포함한다. 전술한 바 있듯이, 크로스 빔들은 팩 트레이(21)의 기계적 강성을 위해 제공되는 구성요소이다.
상기 제1 크로스 빔(40)은, 도 13의 실시 구성과 같이, 상기 제1 셀 어셈블리 그룹(10A)과 상기 제2 셀 어셈블리 그룹(10B) 사이에 상기 제1 방향(Y축 방향)과 교차하는 제2 방향(X축 방향)으로 연장된 형태로 상기 팩 트레이(21)에 구비될 수 있다. 도면에는 상기 제1 크로스 빔(40)을 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에서 분리하여 표현하였으나 상기 제1 크로스 빔(40)의 팩 트레이(21)와 일체형으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 크로스 빔(40)은 브릿지 버스바 유닛(120)의 버스바 하우징(121)과 비슷한 높이를 가지고, 길이 방향(X축 방향)에 따른 중앙 하단부가 상부 방향으로 만입된 형태로 마련될 수 있다.
상기 제2 크로스 빔(50)은 상기 전압 센싱 유닛(30)의 상부에 위치하고, 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 팩 트레이(21)의 ±Y축 방향의 양쪽 측면판에 고정 결합되게 구성될 수 있다. 또한, 도 12에 도시한 바와 같이, 상기 제2 크로스 빔(50)은 셀 어셈블리(100)들의 상측 만입부(135)에 삽입될 수 있게 구성될 수 있다.
상기 제3 크로스 빔(24)은, 도 13과 같이, 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에서 제2 방향으로 연장되고 양단이 ±Y축 방향의 양쪽 측면판에 고정 결합되게 구성된다. 크로스 빔들의 설치 구조상, 상기 제2 크로스 빔(50)이 제1 크로스 빔(40)에 비해 사이즈가 상대적으로 작아 팩 트레이(21)에 대한 상기 제2 크로스 빔(50)의 지지력이 상대적으로 약할 수 있다. 상기 제3 크로스 빔(24)은 상대적으로 팩 트레이(21)에 대한 지지력이 약한 제2 크로스 빔(50)을 보강하는 역할을 할 수 있다. 전술한 바 있듯이, 셀 어셈블리(100)들은 하측 만입부(136)를 구비한다. 따라서 상기 제3 크로스 빔(24)이 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에 있더라도, 셀 어셈블리 그룹(10)들은 상기 제3 크로스 빔(24)에 간섭되지 않고 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에 용이하게 안착될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함되는 배터리 제어시스템(60)은 격벽(23)에 의해 셀 어셈블리 그룹(10)들과 분리된 공간에 구비될 수 있다. 상기 배터리 제어시스템(60)은 BMS(Battery Management System)와, BDU(Battery Disconnect Unit)를 포함할 수 있다. 상기 BMS는 파우치형 배터리 셀(110)들의 충방전 상태, 전력 상태 및 성능 상태 등을 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 BDU는 배터리 팩(1)의 전력 용량과 기능을 관리하기 위해 배터리 셀들의 전기적 연결을 제어한다. 이를 위해 BDU는 파워 릴레이와 전류 센서, 퓨즈 등을 포함할 수 있다.
이상과 같이 상술한 본 발명에 따른 배터리 팩(1)은, 팩 케이스(20)의 내부 공간을 최대한 활용하여 많은 개수와 큰 용량의 파우치형 배터리 셀(110)들로 팩 케이스(20) 내부를 채울 수 있다.
예컨대 도 1의 종래 배터리 팩(1)의 경우, 배터리 모듈을 구성하기 위한 모듈 케이스 구성들, 각 배터리 모듈과 크로스 빔 사이의 갭(gag)들, 격자 구조로 배열된 배터리 모듈들을 전기적으로 연결하기 위한 케이블들의 복잡한 레이아웃 등이 배터리 팩(1)의 에너지 용량을 증대시키는데 마이너스 요소들로 작용한다. 그러나 본 발명의 배터리 팩(1)은 상기와 같은 마이너스 요소들이 없다.
따라서, 본 발명의 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)들로 팩 케이스(20) 내부가 현저히 공간 효율적으로 채워질 수 있어 에너지 용량이 향상된 배터리 팩(1)이 제공될 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)의 주요 구성을 분리하여 도시한 사시도이고, 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)의 사시도이며, 도 19는 도 18의 셀 어셈블리(400)의 중앙 영역을 상부에서 바라본 도면이고, 도 20은 도 18의 셀 어셈블리(400)의 중앙 영역을 하부에서 바라본 도면이다.
이어서, 도 17 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)에 대해 설명한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)는, 전술한 셀 어셈블리(100)와 비교할 때, 셀 커버의 구성 및 셀 커버와 셀 유닛의 조립 구조에 차이가 있고 이외 구성은 실질적으로 동일하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)는, 일렬 배치되는 제1 파우치형 배터리 셀(110A), 브릿지 버스바 유닛(120), 제2 파우치형 배터리 셀(110B)로 구성된 셀 유닛을 부분적으로 감싸는 셀 커버(430)를 포함한다. 특히, 상기 셀 커버(430)는 상기 셀 유닛의 상측과 양측부를 감싸되 하측은 감싸지 않아 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 하부측 에지부(E2)가 외부로 노출되게 구성될 수 있다.
즉, 전술한 실시예의 셀 커버(130)가 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀들(110A,110B)의 상부측 에지부(E1)를 노출시키기 위해 종단면이 대략 U자 형태로 구성된 것이라면, 본 발명의 다른 실시예의 셀 커버(430)는 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀들의 하부측 에지부(E2)를 노출시키기 위해 종단면이 대략 n자 형태로 구성된 것이라 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 17 내지 도 18을 참조하면, 상기 셀 커버(430)는, 상측커버부(431), 제1 측면커버부(432), 및 제2 측면커버부(433)를 포함할 수 있다.
여기서, 상측커버부(431)는 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)의 상부측 에지부(E1)의 상부를 감싸도록 구성될 수 있다. 특히, 상측커버부(431)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 상부측 에지부(E1)에 접촉되거나 이격되는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상측커버부(431)는, 평면 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 상측커버부(431)는, 단면이 수평 방향의 직선 형상으로 형성되어, 파우치형 배터리 셀(110)의 상부측 에지부(E1)를 외측에서 직선 형태로 감쌀 수 있다.
제1 측면커버부(432)는, 상측커버부(431)의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 측면커버부(432)는, 상측커버부(431)의 좌측 단부에서 하부 방향(도면의 -Z축 방향)으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 제1 측면커버부(432)는, 평면 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제1 측면커버부(432)는, 상측커버부(431)에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다.
그리고, 제1 측면커버부(432)는, 내부에 수용된 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 일측 수납부(R)의 외측을 감싸도록 구성될 수 있다.
제2 측면커버부(433)는, 제1 측면커버부(432)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 그리고, 제2 측면커버부(433)는, 상측커버부(431)의 타단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면커버부(433)는, 상측커버부(431)의 우측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 제2 측면커버부(433)도 제1 측면커버부(432)와 마찬가지로 평면 형태로 구성될 수 있다. 이때, 제2 측면커버부(433)와 제1 측면커버부(432)는 수평 방향으로 이격된 상태에서 서로 평행하게 배치되어 있다고 할 수 있다.
그리고 제2 측면커버부(433)는, 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)의 타측 수납부(R)의 외측을 감싸도록 구성될 수 있다. 상기 실시 구성에서, 상기 셀 커버(430)는 상측커버부(431), 제1 측면커버부(432) 및 제2 측면커버부(433)에 의해 내부 공간이 한정될 수 있다. 그리고, 셀 커버(430)는, 이와 같이 한정된 내부 공간에 하나 또는 그 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 수용할 수 있다.
또한, 제1 측면커버부(432)와 제2 측면커버부(433)의 단면적은 제1 측면커버부(432)와 제2 측면커버부(433)가 마주하는 파우치형 배터리 셀(110)의 단면적보다 크게 구비되어 수납부(R)가 외부로 노출되는 것을 방지하여 안전성을 최대한 확보할 수 있다.
특히, 상기 파우치형 배터리 셀(110)은, 에지부(E1~E4)로서 실링부와 미실링부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 17의 실시 구성에서, 상부측 에지부(E1)는 파우치형 배터리 셀(110)의 실링부로서 DSF(Double Side Folding)된 부분일 수 있고, 하부측 에지부(E2)는 파우치형 배터리 셀(110)의 미실링부일 수 있다.
상기 셀 커버(430)는, 상기와 같은 파우치형 배터리 셀(110)을 감싸되, 에지부(E1~E4) 중에서, 실링부의 적어도 일부는 감싸면서, 미실링부의 적어도 일부는 감싸지 않고 외부로 노출되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 17의 실시 구성을 참조하면, 셀 커버(430)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 실링부의 일부인 상부측 에지부(E1)를 덮는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(430)의 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)은, 실링부인 상부측 에지부(E1)가 상측커버부(431)와 마주하도록 구성된다고 할 수 있다. 또한, 셀 커버(430)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 미실링부인 하부측 에지부(E2)에 대해서는, 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀(110)을 감쌀 수 있다. 이 경우, 파우치형 배터리 셀(110)에서 미실링부인 하부측 에지부(E2)는, 셀 커버(430)의 개방면에 배치된다고 할 수 있다.
참고로, 파우치형 배터리 셀(110)에서 실링부로서 상부측 에지부(E1)는 미실링부인 하부측 에지부(E2)보다 상대적으로 고온의 가스나 화염의 배출에 더 취약할 수 있다. 그런데, 상기 실시예에 의하면, 실링부인 상부측 에지부(E1)가 상측커버부(431)를 마주하도록 배치되어 상기 실링부에서 벤팅 가스가 분출될 경우, 상기 벤팅 가스의 상부 방향 이동을 막고 수평 및/또는 하부 방향 이동을 유도하는 Directional Venting에 보다 유리할 수 있다.
또한, 파우치형 배터리 셀(110)에서 미실링부로서 하부측 에지부(E2)는 실링부인 상부측 에지부(E1)보다 상대적으로 단면적이 넓고 평평한 형상으로 구비되어 셀 커버(430)의 개방면에 배치될 수 있고, 후술할 써멀 레진(G1)에 직접 접촉되어 냉각효율이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 커버(430)는 브릿지 버스바 유닛(120)이 수납되는 위치의 상단 및 하단 중 적어도 한 부분에 내측 방향으로 부분 절개된 형태로 구성된 만입부(435,436)를 구비한다.
이를테면, 도 17에 동그라미 표시한 부분과 같이, 셀 커버(430)는 중앙 상단과 하단 2곳에 상측 만입부(435)와 하측 만입부(436)를 구비할 수 있다.
그리고 도 19 내지 도 20을 참조하면, 상기 브릿지 버스바 유닛(120)에 있어서, 버스바 하우징(121)은 그 상면부가 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀(110A,110B)의 상부측 에지부(E1)보다 높이가 낮아 셀 커버(430)에 수납된 때, 상기 상측 만입부(435)위로 돌출되지 않게 구성되고, 버스바 하우징(121)의 하면부는, 상기 하측 만입부(436) 아래로 돌출되지 않게 구성될 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)는 브릿지 버스바 유닛(120)이 위치한 중앙 영역이 내측 방향으로 함몰된 형태로 제공될 수 있다.
또한, 전술한 셀 커버(130)의 상측 만입부(135)와 달리 본 실시예의 셀 커버(430)의 상측 만입부(435)는, 도 19에 도시한 바와 같이, 버스바(123)의 절곡된 상단부(123a)만 상부 방향으로 노출시키고, 제1 파우치형 배터리 셀(110A) 쪽 방향(-X방향)과 제2 파우치형 배터리 셀(110B) 쪽 방향(+X방향)은 스크린 플레이트(435a,435b)에 의해 막힌 형태가 되도록 구성될 수 있다. 여기서 상기 스크린 플레이트(435a,435b)는 하단이 버스바 하우징(121)의 상면에 끼움 결합되게 구성될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 셀 커버(430)의 내부 공간이 상기 브릿지 버스바 유닛(120)을 중심으로 왼편 공간과 오른편 공간의 물리적으로 분리되어 기밀성이 증대될 수 있다. 따라서 상기 셀 어셈블리(400)들을 사용하여 배터리 팩을 조립시 셀 커버(430)의 개방면이 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)과 마주하게 셀 어셈블리(400)를 배치하여 셀 커버(430)의 개방면을 차폐할 수 있다. 이 경우 열적 이벤트가 발생한 상황에서 상기 셀 커버(430)에 수납된 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 제2 파우치형 배터리 셀(110B) 간은 가스, 열, 스파크 등과 같은 발화원의 이동이 제한적이게 되므로 상기 제1 파우치형 배터리 셀(110A)과 상기 제2 파우치형 배터리 셀(110B) 간에 열폭주 전파를 차단 내지 지연시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)를 일 방향을 따라 복수 개 적층함으로써 도 21 내지 도 22에 도시한 바와 같은, 셀 어셈블리 그룹(11)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 셀 어셈블리 그룹(11)에서 상측 만입부(435)와 하측 만입부(436) 영역이 일방향(±Y 방향)으로 이어진 골짜기 형태가 될 수 있다. 이렇게 골짜기 형태의 구성으로 셀 어셈블리(400)에 확보된 공간은, 도 23 내지 도 24와 같이, 배터리 팩(2)을 조립시 전압 센싱 유닛(30), 제2 크로스 빔(50), 제3 크로스 빔(24)의 설치 공간으로 활용될 수 있다.
상기 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(11)들은 상술한 셀 어셈블리(400)들의 집합체라 할 수 있으며, 예컨대 도 23 및 도 24에 도시한 바와 같이, 팩 케이스(20) 내부에 수납될 수 있다. 본 실시예에서 상기 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(11)들은 제1 셀 어셈블리 그룹(11A)과 제2 셀 어셈블리 그룹(11B)으로 구분될 수 있다. 이렇게 복수 개의 셀 어셈블리 그룹(11)들을 제1 셀 어셈블리 그룹(10A)과 제2 셀 어셈블리 그룹(10B)으로 나눈 것은, 도 23 내지 도 24에서 팩 트레이(21)의 제1 크로스 빔(40)을 기준으로 +Y축 방향에 위치한 것과 -Y축 방향에 위치한 것을 편의상 구분하기 위한 것이라고 보아도 좋다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(2)의 냉각 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 팩 케이스(20)는 히트싱크를 구비하도록 구성될 수 있다. 여기서 히트싱크는 직간접적인 열 접촉을 통해 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체를 의미한다. 상기 팩 케이스(20)는 그 자체가 히트싱크로 역할을 하거나, 냉각수가 흐를 수 있도록 유로(F1)를 구비한 히트싱크를 내부 또는 외부에 구비한 형태로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 히트싱크는 상부 히트싱크(520)와 하부 히트싱크(510)를 포함하고, 도 25와 같이, 상기 상부 히트싱크(520)는 팩 커버(22)에 구비되고, 상기 하부 히트싱크(510)는 팩 트레이(21)에 구비될 수 있다.
그리고 셀 커버(430)는 제1 측면커버부(432)와 제2 측면커버부(433)의 하단이 하부 히트싱크(510)에 끼움 결합된 형태로 바로 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)에 안착되게 구성될 수 있다. 이를테면, 도 25의 'K1'으로 표시한 바와 같이, 각각의 셀 커버(430)의 하단부는, 하부 히트싱크(510)에 부분적으로 끼워짐으로써, 체결 고정되고, 상부 히트싱크(520)와 셀 커버(430)의 상측커버부(431)가 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
그리고 셀 커버(430)의 내부에서 파우치형 배터리 셀(110)의 하부측 에지부(E2)와 상부측 에지부(E1)에 써멀 레진(G1,G2)이 각각 구비될 수 있다. 또한, 셀 커버(430)의 외부에서 상측커버부(431)와 상부 히트싱크(520) 사이에도 써멀 레진(G3)이 구비될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 도 25에 'H1'으로 표시한 바와 같이, 각 셀 어셈블리(400)에서 발생하는 열이 파우치형 배터리 셀(110)의 하부측 에지부(E2)-> 써멀 레진(G1)-> 하부 히트싱크(510)로 방열될 수 있을 뿐만 아니라 도 25에 'H2'로 표시한 바와 같이, 상기 파우치형 배터리 셀(110)의 상부측 에지부(E1)-> 써멀 레진(G2)-> 셀 커버(430)의 상측커버부(431)->써멀 레진(G3)-> 상부 히트싱크(520)로 방열될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 배터리 팩은 파우치형 배터리 셀(110)들의 열을 하부 히트싱크(510)와 상부 히트싱크(520)로 열전도시켜 냉각하는 듀얼 냉각(dual cooling)이 가능하다. 특히, 본 발명의 배터리 팩은, 종래의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩과 비교할 때, 파우치형 배터리 셀들의 하부측 에지부(E2)가 바로 하부 히트싱크(510)와 마주하며 셀 커버(430)가 상기 하부 히트싱크(510)에 안착되는 구성을 가지므로, 파우치형 배터리 셀들에서 히트싱크 사이에 (배터리 모듈의 모듈 케이스와 같은) 열 접촉 저항 요소들이 없고 열전도 거리도 짧음으로 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
또한, 써멀 레진(G1,G2,G3)에 의해 셀 커버(430), 상기 셀 커버(430) 내부의 파우치형 배터리 셀(110)들 및 팩 케이스(20)가 상호 고정되기 때문에 볼트, 리벳 등과 같은 체결 부품을 사용하지 하지 않고 셀 어셈블리(400)들을 팩 케이스(20)에 안정적으로 조립 및 고정시킬 수 있다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 셀 커버의 변형예를 도시한 도면이고, 도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 팩 트레이의 변형예를 도시한 도면이다.
도 26 및 도 27은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 커버(600)와 팩 트레이(21)의 구성을 각각 개략적으로 나타내는 사시도이다. 전술한 실시예들과 설명이 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다.
변형예에 따른 셀 커버(600)는, 전술한 실시예와 유사하게, 상측커버부(631), 제1 측면커버부(632), 제2 측면커버부(633), 상측만입부(635) 및 하측만입부(636)를 포함한다. 나아가 상기 셀 커버(600)는, 도 26에 도시된 바와 같이, 상기 제1 측면커버부(632) 및 상기 제2 측면커버부(633) 중 적어도 하나의 하단부에 돌출부(601)를 더 구비한다. 상기 돌출부(601)는 셀 커버(600)의 하단부에서 상대적으로 더 길게 하부 방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다.
상기 돌출부(601)는, 복수 개가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이, 제1 측면커버부(632) 및/또는 제2 측면커버부(633)의 하단에는, 셀 커버(600)의 길이 방향을 따라, 다수, 이를테면 6개의 돌출부(601)가 구비될 수 있다.
이와 같은 형태의 셀 커버(600)가 마련된 실시 구성에서, 팩 트레이(21)는, 도 26에 도시된 바와 같이, 돌출부(601)가 삽입 가능하도록 구성된 결합홈(21Ba)이 형성될 수 있다. 여기서, 결합홈(21Ba)은, 돌출부(601)에 대응되는 위치 및 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 26의 실시 구성을 참조하면, 셀 커버(600)가 안착되는 팩 트레이의 바닥판(21B)에는, 셀 커버(600)의 돌출부(601)에 대응되는 위치 및 형태로 결합홈(21Ba)이 형성될 수 있다. 더욱이, 하나의 결합홈(21Ba)에는, 하나 이상의 돌출부(601)가 끼워질 수 있다. 예를 들어, 도 24에서 'K1'으로 표시된 부분과 같은 중앙 부분의 결합홈(21Ba)에는, 2개의 돌출부(601)가 삽입될 수 있다. 반면, 팩 트레이(21)에서 셀 커버(600)의 적층 방향으로 가장 외측에 위치한 결합홈(21Ba)에는, 1개의 돌출부(601)가 삽입될 수 있다. 예를 들어, 도 27의 구성에서, 좌우 방향으로 배열된 다수의 결합홈(21Ba) 중, 가장 좌측과 가장 우측에 위치하는 결합홈(21Ba)에는, 각각 1개의 돌출부(601)가 삽입될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(600)와 팩 트레이(21) 사이의 결합성이 보다 향상될 수 있다. 따라서, 배터리 팩에 인가되는 진동이나 충격, 또는 파우치형 배터리 셀(110)의 스웰링 발생 시와 같은 상황에서도, 셀 커버(600)와 그 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)의 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 커버(600)가 전후 방향(X방향)으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 커버(600)가 좌우 방향(Y축 방향)으로 이동하는 것을 방지하며, 제1 측면커버부(632)와 제2 측면커버부(633) 사이가 벌어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 28은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩에서 셀 어셈블리 그룹의 일단부 영역을 하부에서 바라본 도면이고, 도 29은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 가스벤팅 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이어서, 도 28 및 도 29를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 열적 이벤트 발생시, 가스 내지 화염/스파크 등을 디렉셔널 벤팅 구성에 대해 설명한다.
본 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)는 셀 커버(430)의 내부에 디렉셔널 벤팅공간(VS)을 구비한다. 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)은 셀 커버(430)들의 길이 방향에 따른 일측 내지 양측 단부에 구비될 수 있다.
파우치형 배터리 셀(110)의 경우, 전극 리드(111)가 인출되는 실링부, 즉 전방측 에지부(E3) 또는 후방측 에지부(E4)는 수납부(R)보다 상대적으로 두께가 매우 얇기 때문에 상기 전방측 에지부(E3) 또는 상기 후방측 에지부(E4)를 감싸고 있는 셀 커버의 전방부(후방부)에 잉여 공간이 존재한다. 이러한 셀 커버 내부의 잉여 공간이 디렉셔널 벤팅공간(VS)으로 사용될 수 있다. 도 28에 도시한 바와 같이, 각 셀 어셈블리(400)의 셀 커버(430)들은, 도면에서 'D1'으로 표시한 것과 같이, 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)이 남겨지도록 상기 외곽 버스바 하우징(201)에 부분적으로 끼움 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)은 일방향을 제외하고 막힌 구조를 갖게될 수 있다.
한편, 전술한 바 있듯이, 본 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)는, 파우치형 배터리 셀(110)들의 냉각과 고정을 위해 써멀 레진(G1,G2,G3)이 상기 파우치형 배터리 셀들의 상부측 에지부(E1)와 하부측 에지부(E2)에 도포된다. 이때 도 28에 도시된 바와 같이, 특히 셀 커버(430)의 개방면 쪽에 적용되는 써멀 레진(G1)은 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS) 직전까지만 적용된다. 즉, 본 실시예에 따른 셀 어셈블리(400)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)의 상부 및/또는 하부에만 써멀 레진(G1,G2,G3)이 적용되고, 전극 리드(111)가 인출되는 실링부로서 전방 에지부(E3) 및/또는 후방 에지부(E4) 구역에는 상기 써멀 레진(G1)이 미적용된 형태로 구성된다.
따라서 본 실시예에 따른 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)은, 그 상부방향(Z방향)이 셀 커버(430)의 상측커버부(431)에 의해 막혀 있고, 그 전후좌우 방향(±X,±Y방향)은 외곽 버스바 하우징(201), 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R), 셀 커버(430)의 제1 측면커버부(432) 및 제2 측면커버부(433) 중 적어도 어느 하나에 의해 막혀 있다. 반면, 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)의 하부 방향(-Z방향)은 외부와 연통할 수 있다.
이 같은 구성에 의하면, 도 29와 같이, 열적 이벤트가 발생해서 파우치형 배터리 셀(110)에서 가스 또는 화염/스파크(전극 조립체에서 탈리된 금속 조각 등) 등이 분출할 경우, 상기 가스 또는 화염/스파크 등이 상부 방향으로 이동하는 것을 셀 커버(430)의 상측커버부(431)가 막아줄 수 있다. 또한, 외곽 버스바 하우징(201)과 셀 커버(430)의 제1 측면커버부(432)와 제2 측면커버부(433)가 상기 가스 또는 화염/스파크 등의 전후좌우 방향 이동을 막아줄 수 있다. 따라서 도 29와 같이, 상기 가스 또는 화염/스파크의 흐름이 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)에서 하부 방향으로 유도될 수 있다.
또한, 팩 케이스(20)는 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)과 연통하는 가스 배기구(25)를 구비할 수 있다. 예컨대, 상기 가스 배기구(25)는 팩 트레이(21)에서 상기 디렉셔널 벤팅공간(VS)의 연직 하부와 대응되는 바닥판(21B)에 구비될 수 있다. 그리고 상기 가스 배기구(25)에는 소정의 압력 또는 열에 의해 파열되는 파열 디스크(27)가 장착될 수 있다. 상기 파열 디스크(27)는 가스의 압력 또는 일정 온도 이상에서 소손되는 재질로서 예컨대 얇은 알루미늄 막구조체 또는 플라스틱 수지 구조체로 구성될 수 있다. 참고로, 본 실시예에서 상기 가스 배기구(25)가 팩 트레이(21)의 바닥판(21B)을 상하 방향으로 관통하는 형태로 구성되어 있으나, 본 실시예와 달리, 상기 가스 배기구(25)는 팩 트레이(21)의 내부에 구비되는 채널 형태로 구성되고, 상기 채널이 팩 케이스(20)의 일측 개구(미도시)까지 이어지도록 구성될 수도 있다.
이러한 셀 어셈블리의 디렉셔널 벤팅구조와 팩 케이스 구조에 의하면, 배터리 팩에 포함된 특정 셀 어셈블리(400)에서 가스가 발생할 경우, 해당 셀 어셈블리(400)의 가스가 인접한 다른 셀 어셈블리(400)로 전파되지 않고 해당 셀 어셈블리(400)가 위치한 팩 트레이(21)의 하부 방향으로 배출될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 배터리 팩은 열적 이벤트 발생 상황에서 파우치형 배터리 셀(110)들의 열 폭주 전파가 억제 내지 크게 지연되는 효과가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 하나 이상의 파우치형 배터리 셀과 또 다른 하나 이상의 파우치형 배터리 셀을 브릿지 버스바 유닛을 이용해 길이 방향으로 연결함으로써 일체화된 롱 셀 형태로 구현된 셀 어셈블리가 제공될 수 있다. 또한, 이러한 셀 어셈블리를 이용해 파우치형 배터리 셀들을 배터리 팩의 팩 케이스에 직접 조립함으로써 배터리 팩의 공간 활용률을 극대화하고 에너지 용량을 현저히 향상시킬 수 있다.
이외에도 본 발명에 따른 일 실시 구성에 의하면, 배터리 팩의 냉각 효율 향상, 파우치형 배터리 셀로부터 배출된 가스나 화염 등의 배출 방향의 제어를 통해 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 자동차의 동력 에너지원으로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차(미도시)는, 전술한 본 발명에 따른 배터리 팩(1)을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 자동차(미도시)는, 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 구동원으로 사용하는 소정의 자동차(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩이외에, 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소, 이를테면 차체나 모터 등을 더 포함할 수 있다.
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.
1 : 배터리 팩 10,11: 셀 어셈블리 그룹
10A,11A: 제1 셀 어셈블리 그룹 10B,11B: 제2 셀 어셈블리 그룹
20: 팩 케이스 21: 팩 트레이
22: 팩 커버 23: 격벽
24: 제3 크로스 빔 30: 전압 센싱 유닛
31: 센싱 프레임 31a: 센싱홀
32: 센싱 회로기판 40: 제1 크로스 빔
50: 제2 크로스 빔 60: 배터리 제어시스템
100,400: 셀 어셈블리 110: 파우치형 배터리 셀
110A: 제1 파우치형 배터리 셀 110B: 제2 파우치형 배터리 셀
111: 전극 리드 111A: 양극 리드
111B: 음극 리드 120: 브릿지 버스바 유닛
121: 버스바 하우징 121a: 삽입구
121b: 슬롯 121c: 개구부
121d: 받침판 121e: 오목부
123: 버스바 123a: 절곡된 상단부
130,430,630: 셀 커버 131,431,631: 상측커버부
132,432,632: 제1 측면커버부 133,433,633: 제2 측면커버부
135,435: 상측 만입부 136,436: 하측 만입부

Claims (28)

  1. 각각 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀을 구비하고, 상호 간 일렬로 배열되는 복수 개의 셀 뱅크;
    상기 복수 개의 셀 뱅크 사이에 배치되고 상기 셀 뱅크들 간을 전기적으로 연결하는 브릿지 버스바 유닛; 및
    상기 복수 개의 셀 뱅크들과 상기 브릿지 버스바 유닛으로 이루어진 셀 유닛을 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 셀 뱅크는,
    하나의 셀 뱅크를 형성하는 하나 이상의 제1 파우치형 배터리 셀;과
    다른 하나의 셀 뱅크를 형성하고 상기 제1 파우치형 배터리 셀의 길이 방향을 따라 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 일렬 배치되는 다른 하나 이상의 제2 파우치형 배터리 셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 커버는, 상기 제1 파우치형 배터리 셀과 상기 제2 파우치형 배터리 셀을 세워진 상태로 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 셀 커버는, 감싸진 상기 제1 파우치형 배터리 셀 및 상기 제2 파우치형 배터리 셀의 상측 또는 하측이 노출되도록 상기 제1 파우치형 배터리 셀 및 상기 제2 파우치형 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀은, 전극 조립체가 수납된 수납부 및 상기 수납부 주위에 에지부를 구비하고,
    상기 셀 커버는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상부측 에지부와 하부측 에지부 중 어느 한 부분과, 상기 수납부를 덮도록 마련된 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 하부측 에지부의 하부를 감싸도록 구성된 하측커버부;
    상기 하측커버부의 일단으로부터 상부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 일측 수납부의 외측을 감싸는 제1 측면커버부; 및
    상기 제1 측면커버부로부터 이격된 위치에서 상기 하측커버부의 타단으로부터 상부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 타측 수납부의 외측을 감싸는 제2 측면커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상부측 에지부의 상부를 감싸도록 구성된 상측커버부;
    상기 상측커버부의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 일측 수납부의 외측을 감싸는 제1 측면커버부; 및
    상기 제1 측면커버부로부터 이격된 위치에서 상기 상측커버부의 타단으로부터 하부 방향으로 연장되고 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 타측 수납부의 외측을 감싸는 제2 측면커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀은, 상기 에지부로서 실링부와 미실링부를 포함하며,
    상기 셀 커버는, 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀에 대하여 상기 실링부의 적어도 일부를 감싸고 상기 미실링부는 노출되도록 구성된 것을 특징으로 셀 어셈블리.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 제1 파우치형 배터리 셀, 상기 브릿지 버스바 유닛 및 제2 파우치형 배터리 셀이 순서대로 일렬 배치된 길이에 대응하는 길이를 갖도록 마련되고,
    상기 브릿지 버스바 유닛이 위치하는 가운데 영역의 상측 및 하측 중 적어도 어느 한 부분에 내측 방향으로 부분 절개된 형태로 구성된 만입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 파우치형 배터리 셀 및 제2 파우치형 배터리 셀은 전극 리드가 양방향으로 돌출된 양방향 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제1 파우치형 배터리 셀은 제1 극성의 전극 리드가 상기 브릿지 버스바 유닛에 접속되고,
    상기 제2 파우치형 배터리 셀은 제2 극성의 전극 리드가 상기 브릿지 버스바 유닛에 접속된 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 브릿지 버스바 유닛은,
    전기 절연성 소재이고 속이 빈 통 형상으로 마련된 버스바 하우징; 및
    상기 버스바 하우징의 내부에 일부분이 삽입되고 전도성 소재로 마련된 버스바를 포함하며,
    상기 제1 파우치형 배터리 셀의 전극 리드와 상기 제2 파우치형 배터리 셀의 전극 리드가 상기 버스바 하우징의 내부에서 각각 상기 버스바의 일면과 타면에 고정되게 접촉된 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 버스바 하우징은,
    일 측면부와 그 반대 측면부에 각각 상기 제1 파우치형 배터리 셀 또는 제2 파우치형 배터리 셀의 전극 리드를 삽입할 수 있게 마련된 하나 이상의 슬롯;과
    상면부에 상기 버스바를 상하 방향으로 삽입할 수 있게 마련된 삽입구를 구비한 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 버스바 하우징은,
    상기 슬롯이 없는 측면부에 용접을 위한 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 버스바는 절곡된 상단부를 구비하고, 상기 절곡된 상단부가 상기 삽입구의 외측에 노출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 버스바 하우징은 그 상면부가 상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀의 상단보다 낮은 높이에 위치하도록 마련된 것을 특징으로 하는 셀 어셈블리.
  17. 각각 제1 방향으로 적층된 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 복수 개의 셀 어셈블리들로 구성된 셀 어셈블리 그룹;
    상기 셀 어셈블리 그룹이 안착되는 팩 트레이와, 상기 팩 트레이와 상호 결합하여 상기 셀 어셈블리 그룹을 커버하는 팩 커버를 구비하는 팩 케이스; 및
    상기 제1 방향으로 연장되고 상기 셀 어셈블리 그룹의 상부에 배치되며, 각 상기 셀 어셈블리 그룹의 상기 브릿지 버스바 유닛에 구비되는 버스바와 전기적으로 연결되는 전압 센싱 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리 그룹은 상기 팩 트레이의 상면에 접착되어 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 전압 센싱 유닛은,
    절연성 소재이고 상기 브릿지 버스바 유닛의 상부에 배치되고,
    각 상기 브릿지 버스바 유닛이 위치하는 영역마다 천공 형성된 센싱홀들을 구비하는 센싱 프레임; 및
    상기 센싱 프레임의 상부에 배치되는 센싱 회로기판;를 포함하고,
    상기 센싱 회로기판에 구비되는 센싱단자는 각각 상기 센싱홀을 통과해 상기 브릿지 버스바 유닛에 구비되는 버스바와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리 그룹은 제1 셀 어셈블리 그룹과 제2 셀 어셈블리 그룹을 포함하고,
    상기 제1 셀 어셈블리 그룹과 상기 제2 셀 어셈블리 그룹 사이에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되고 상기 팩 트레이에 고정 결합되는 제1 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 전압 센싱 유닛의 상부에 위치하고, 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 팩 트레이에 고정 결합되는 제2 크로스 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 팩 케이스는, 히트싱크를 구비하며,
    상기 제1 및 제2 파우치형 배터리 셀과 상기 히트싱크 사이에 써멀 레진이 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 히트싱크는, 상기 셀 커버의 상부와 하부에 각각 배치되는 상부 히트싱크와 하부 히트싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 셀 커버는, 적어도 일측 단부가 상기 팩 케이스에 끼움 결합되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는,
    길이 방향에 따른 적어도 일단부에서 상기 셀 커버의 상측 또는 하측으로 가스가 이동할 수 있는 디렉셔널 벤팅공간이 상기 셀 커버의 내부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 팩 케이스는, 상기 디렉셔널 벤팅공간과 연통하는 가스 배기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  27. 제26항에 있어서,
    소정의 압력 또는 열에 의해 파열되는 파열 디스크가 상기 가스 배기구에 장착된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  28. 제17항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.



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