KR20230046495A - 배터리 팩 - Google Patents

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조세훈
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Abstract

하나 이상의 셀 어셈블리가 안착되는 하부 플레이트, 하부 플레이트에 결합되는 하나 이상의 격벽 프레임 및 격벽 프레임의 일측에 결합되어 벤팅 유로를 형성하는 하나 이상의 보강 부재를 포함하며, 보강 부재는 격벽 프레임과 서로 다른 재료로 형성되는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{Battery Pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보강 부재를 포함한 팩 하우징 구조를 제안하여, 이벤트 발생 상황에서도 구조적 안정성을 확보할 수 있는 배터리 팩에 관한 기술이다.
이차전지는 일차전지와 달리 충방전이 가능하다는 편리성이 있어, 각종 모바일 기기의 전원에서부터 전기 자동차 등의 동력원으로 많은 주목을 받고 있다. 예컨대, 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 타입의 이차전지는 출력이 좋아, 복수 개를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전기자동차의 모터 구동에 사용된다.
전기자동차 등에 적용되는 배터리 모듈은 고출력 및 대용량의 필요성으로 인해 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 모듈화시킨 것이며, 전기자동차는 고전력을 얻기 위하여 이러한 배터리 모듈을 복수로 배열한 배터리 팩을 구비한다.
종래의 배터리 팩은 내부에 수용되는 어느 하나의 배터리 모듈 또는 셀 어셈블리가 발화하게 되는 경우, 화염이나 열 에너지가 인접한 다른 배터리 모듈 또는 셀 어셈블리로 쉽게 전이될 수 있으며, 이에 따라 다수의 배터리 모듈이 연쇄적으로 발화될 우려가 있었다.
또한, 배터리 모듈 또는 셀 어셈블리에서 발생된 화염이 배터리 팩의 다른 구성요소(예를 들어, 배터리 팩의 내외부 프레임)에 전파되어 배터리 팩의 전체 구조가 붕괴되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 열 또는 화염에 강한 저항력을 가지는 보강부재를 적용하여 셀 어셈블리에서 발생되는 화염에 의해 배터리 팩의 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 배터리 팩을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 배터리 셀에서 발생되는 열 또는 화염을 배터리 팩 외부로 효과적으로 배출하여 연쇄적인 발화 또는 폭발을 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 실시예들에 따르면, 하나 이상의 셀 어셈블리가 안착되는 하부 플레이트, 하부 플레이트에 결합되는 하나 이상의 격벽 프레임 및 격벽 프레임의 일측에 결합되어 벤팅 유로를 형성하는 하나 이상의 보강 부재를 포함하며, 보강 부재는 격벽 프레임과 서로 다른 재료로 형성되는 배터리 팩이 제공된다.
실시예들에서, 배터리 팩은 보강 부재와 격벽 프레임을 상호 결속시키는 하나 이상의 결속 부재를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 배터리 팩의 보강 부재는 격벽 프레임보다 용융점이 더 높은 재료로 형성될 수 있다.
실시예들에서, 격벽 프레임은 하부 플레이트와 동일한 재료로 형성되며, 보강 부재는 철, 스테인레스강, 운모 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 격벽 프레임은 하부 플레이트의 일측 가장자리를 따라 연장되는 제1 격벽 프레임 및 하부 플레이트의 상부면에서 제1 격벽 프레임과 서로 다른 방향으로 연장되는 하나 이상의 제2 격벽 프레임을 포함하며, 제2 격벽 프레임의 단부는 제1 격벽 프레임의 일측에 인접할 수 있다.
실시예들에서, 보강 부재는 일면이 제1 격벽 프레임에 결속되는 제1 보강 부재 및 제1 보강 부재의 타면과 결속되는 제2 보강 부재를 포함하며, 제1 보강 부재와 제2 보강 부재의 사이 공간에 제1 벤팅 유로가 형성될 수 있다.
실시예들에서, 보강 부재는 제2 격벽 프레임의 양 측면에 각각 결속되는 제3 보강 부재를 더 포함하며, 제3 보강 부재를 따라 제2 벤팅 유로가 형성될 수 있다.
실시예들에서, 제2 보강 부재 중 제2 격벽 프레임의 단부와 인접한 부분에 개구부가 구비되며, 제2 벤팅 유로는 개구부를 통해 제1 벤팅 유로와 연통될 수 있다.
실시예들에서, 셀 어셈블리는 서로 이웃한 제2 격벽 프레임 사이에 구비되며, 셀 어셈블리 중 제3 보강 부재와 마주보는 일면에는 벤팅 홀이 구비될 수 있다.
실시예들에서, 결속 부재는 제1 보강 부재와 제2 보강 부재를 관통하여 제1 격벽 프레임에 체결될 수 있다.
실시예들에서, 결속 부재는 제1 격벽 프레임의 길이 방향을 따라서 복수 개 구비될 수 있다.
또한, 실시예들에서, 수용 공간이 구비되는 팩 하우징 및 수용 공간에 수용되는 하나 이상의 셀 어셈블리를 포함하고, 팩 하우징은 셀 어셈블리가 안착되는 하부 플레이트 및 하부 플레이트의 적어도 일부 가장자리를 따라 연장되는 제1 격벽 부재를 포함하며, 제1 격벽 부재는 700℃ 이상의 온도에서 용융되는 재료로 형성되는 제1 유로 부재를 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
실시예들에서, 제1 유로 부재는 셀 어셈블리와 마주보게 구비될 수 있다.
실시예들에서, 팩 하우징은 수용 공간을 구획하는 하나 이상의 제2 격벽 부재를 더 포함하며, 제2 격벽 부재는 700℃ 이상의 온도에서 용융되는 재료로 형성되는 제2 유로 부재를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 제2 유로 부재는 제2 격벽 부재의 양 측면에 각각 구비될 수 있다.
실시예들에서, 제2 격벽 부재의 단부는 제1 유로 부재의 일면에 인접하며, 제1 유로 부재 중 제2 격벽 부재의 단부가 인접하는 부분에는 개구부가 구비될 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 팩은 격벽 프레임을 화염이나 고온의 가스로부터 보호하는 보강 부재를 구비함으로써, 화재 발생 상황에서도 배터리 팩의 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 배터리 팩은 격벽 프레임과 다른 재료로 형성되는 보강 부재를 구비하여, 배터리 팩 전체 무게를 경량화하면서도 구조적 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 배터리 팩은 보강 부재에 의해 형성되는 벤팅 유로를 통해 배터리 셀에서 발생된 화염이나 고온의 가스를 배터리 팩 외부로 신속하게 배출할 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2는 실시예들에 따른 배터리 팩의 일부분에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 실시예들에 따른 제1 격벽 부재의 사시도이다.
도 4는 실시예들에 따른 제1 격벽 부재의 분해 사시도이다.
도 5은 실시예들에 따른 제2 격벽 부재의 분해 사시도이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 I-I`에 따른 단면도이다.
도 8은 도 2의 A 부분의 확대도이다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소 또는 대응하는 구성요소를 지칭하는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 실시예들에 따른 배터리 팩(1000)의 사시도이며, 도 2는 실시예들에 따른 배터리 팩(1000)의 일부분에 대한 분해 사시도이다.
실시예들에 따른 배터리 팩(1000)은 팩 하우징 및 팩 하우징의 내부 공간에 수용되는 하나 이상의 셀 어셈블리(100)를 포함할 수 있다.
셀 어셈블리(100)는 충전 및 방전이 가능한 배터리 셀(미도시)을 하나 이상 포함하여 전기 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)는 리튬 이온 전지 또는 니켈-수소 전지 등의 이차 전지로 구성되는 배터리 셀(미도시)을 하나 이상 포함할 수 있다.
실시예들에서, 셀 어셈블리(100)는 하나 이상의 배터리 셀(미도시)이 적층된 셀 적층체(미도시), 셀 적층체(미도시)와 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리(미도시) 및 외부 케이스를 포함하는 배터리 모듈일 수 있다. 셀 어셈블리(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 육면체의 형상으로 구비될 수 있다. 다만, 셀 어셈블리(100)의 외형은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
배터리 팩(1000)의 내부 공간에는 하나 이상의 셀 어셈블리(100) 외에 다양한 구성 요소들이 수용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(1000)의 내부 공간에는 복수의 셀 어셈블리(100) 상호간을 연결시키는 연결 부재(미도시)가 수용될 수 있으며, 또는 배터리 팩(1000)의 온도나 입출력 전압 등을 감지할 수 있는 센싱 부재(미도시)가 수용될 수도 있다.
실시예들에 따른 배터리 팩(1000)의 팩 하우징은 셀 어셈블리(100)가 안착되는 하부 플레이트(1100), 하부 플레이트(1100)에 결합되며 내부 공간을 구획하는 복수의 격벽 부재들(1200, 13000, 1400), 내부 공간을 덮는 상부 플레이트(1500)를 포함할 수 있다.
하부 플레이트(1100)는 팩 하우징의 하부면을 형성한다. 하부 플레이트(1100)는 복수의 셀 어셈블리(100)가 안착되는 안착면이 구비되는 판형 부재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 플레이트(1100)는 사각 판형 부재나 또는 도 1에 도시된 바와 같이 다각 판형 부재로 구비될 수 있다. 다만, 하부 플레이트(1100)의 구체적인 형상은 상술한 바에 한정되지 않는다.
하부 플레이트(1100)는 일정 이상의 강성 가지는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 플레이트(1100)의 적어도 일부는 알루미늄을 포함할 수 있다. 하부 플레이트(1100)가 알루미늄을 포함하는 경우, 알루미늄의 뛰어난 열 전도성으로 인하여 셀 어셈블리(100)에서 발생된 열 에너지가 배터리 팩(1000) 외부로 신속하게 방열되는 효과를 기대할 수 있다. 실시예들에서, 방열 효과를 높이기 위해, 하부 플레이트(1100)에는 방열 부재(미도시)나 냉각 부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(100)와 하부 플레이트(1100)의 사이에는 셀 어셈블리(100)에서 발생되는 열 에너지를 하부 플레이트(1100) 방향으로 신속하게 전달시키는 방열 부재(미도시)가 구비될 수 있다.
하부 플레이트(1100)에는 하나 이상의 격벽 부재들(1200, 13000, 1400)이 결합될 수 있다. 격벽 부재들(1200, 13000, 1400)은 팩 하우징의 내부 공간을 구획하여, 복수의 셀 어셈블리(100)가 수용되는 수용 공간들을 형성할 수 있다. 격벽 부재(1200, 13000, 1400)는 일정 이상의 강성을 가지는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 높은 방열 효과를 위해 격벽 부재(1200, 13000, 1400)의 적어도 일부는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
실시예들에서, 격벽 부재(1200, 13000, 1400)는 복수 개가 구비될 수 있으며, 각각 서로 다른 방향으로 연장되어 팩 하우징의 내부 공간을 구획할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바 같이, 격벽 부재는 제1 방향(예를 들어, X축 방향)으로 연장되어 팩 하우징의 측부를 형성하는 제1 격벽 부재(1200) 및 제2 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 하부 플레이트(1100)의 상부면을 가로질러 내부 공간을 구획하는 복수의 제2 격벽 부재(1300)를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 제1 격벽 부재(1200)는 하부 플레이트(1100)의 일측 가장자리를 따라 연장되도록 구비될 수 있다. 제1 격벽 부재(1200)는 배터리 팩(1000)의 측부를 형성하는 측부 격벽 부재일 수 있다.
실시예들에서, 제2 격벽 부재(1300)는 하부 플레이트(1100)의 상부면에 결합되며, 제1 격벽 부재(1200)와 서로 다른 방향으로 연장되도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 제2 격벽 부재(1300)는 제1 격벽 부재(1200)와 서로 수직하는 방향으로 연장될 수 있다. 제2 격벽 부재(1300)는 배터리 팩(1000)의 내부 공간을 구획하는 내부 격벽 부재일 수 있다. 제2 격벽 부재(1300)에 의해 구획된 각각의 수용 공간에 하나 이상의 셀 어셈블리(100)가 수용될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 이웃한 제2 격벽 부재(1300) 사이에 셀 어셈블리(100)가 수용될 수 있다.
제2 격벽 부재(1300)는 일측 단부가 제1 격벽 부재(1200)에 인접하도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 격벽 부재(1200)를 따라 복수의 제2 격벽 부재(1300)가 나란히 구비될 수 있으며, 각각의 제2 격벽 부재(1300)의 단부가 제1 격벽 부재(1200)와 인접하게 배치될 수 있다.
실시예들에서, 제2 격벽 부재(1300)와 다른 방향으로 연장되어 배터리 팩(1000)의 내부 공간을 구획하는 제3 격벽 부재(1400)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 격벽 부재(1400)는 제2 격벽 부재(1300)와 수직하는 방향(예를 들어, X축 방향)으로 연장되어 배터리 팩(1000)의 내부 공간을 구획하는 격벽 부재일 수 있다. 즉, 제2 격벽 부재(1300)와 제3 격벽 부재(1400)에 의해 배터리 팩(1000)의 내부 공간은 격자형으로 구획될 수 있으며, 격자형으로 구획된 수용 공간에 하나 이상의 셀 어셈블리(100)가 각각 안착될 수 있다.
실시예들에서, 제1 내지 제3 격벽 부재(1200, 13000, 1400)는 각각 분리되어 구비되거나 또는 일체로 구비될 수 있다.
셀 어셈블리(100)에 포함되는 배터리 셀이 가혹한 조건에서 충전 및 방전됨에 따라, 배터리 셀에서 화염 또는 고온의 가스가 발생될 수 있다. 이러한 화염이나 가스를 셀 어셈블리(100) 외부로 원활하게 배출하기 위해, 실시예들에 따른 셀 어셈블리(100)는 하나 이상의 벤팅 홀(110)을 구비할 수 있다. 벤팅 홀(110)을 통해, 배터리 셀에서 발생되는 열 에너지나 가스는 일정한 방향으로 셀 어셈블리(100) 외부로 배출될 수 있다.
셀 어셈블리(100)에서 배출되는 화염 또는 고온의 가스는 셀 어셈블리(100) 주위의 일부 격벽 부재에 닿게 되며, 이에 따라 일부 격벽 부재에 높은 열 에너지가 가해질 수 있다. 또한, 어느 하나의 셀 어셈블리(100)에서 발생된 화염이나 고온의 가스가 배터리 팩(1000) 내부에 장시간 머물게 되는 경우, 인접한 다른 셀 어셈블리(100)의 연쇄적 발화를 야기할 수 있다. 따라서 셀 어셈블리(100)에서 배출된 화염 또는 고온의 가스로부터 격벽 부재(1200, 13000, 1400)를 보호할 필요가 있으며, 그와 동시에 화염이나 고온의 가스를 배터리 팩(1000) 외부로 신속하게 배출시킬 필요가 있다.
이를 위해, 실시예들에 따른 격벽 부재(1200, 13000, 1400)에는 고온의 온도에서도 그 형상이나 구조가 무너지지 않는 보강 부재가 구비될 수 있다. 예를 들어, 보강 부재는 격벽 부재(1200, 13000, 1400)에서 셀 어셈블리(100)와 마주보는 위치에 구비될 수 있으며, 벤팅 홀(110)을 통해 방출되는 화염이나 고온의 가스로부터 격벽 부재(1200, 13000, 1400)를 보호할 수 있다. 또한 보강 부재는 일 방향으로 연장되어 벤팅 유로(Venting Path)를 형성할 수 있으며, 이에 따라 화염 또는 고온의 가스의 유동을 가이드할 수 있다. 따라서 셀 어셈블리(100)에서 배출된 화염이나 가스는 보강 부재가 형성하는 벤팅 유로를 따라 유동하여 배터리 팩(1000) 외부로 신속하게 방출될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참고하여 실시예들에 따른 보강 부재가 구비된 격벽 부재를 상세히 설명한다.
도 3은 실시예들에 따른 제1 격벽 부재(1200)의 사시도이다. 도 4는 실시예들에 따른 제1 격벽 부재(1200)의 분해 사시도이다. 도 3 및 도 4에서 설명되는 제1 격벽 부재(1200)는 앞서 도 1 및 도 2에서 설명되는 제1 격벽 부재(1200)에 대응될 수 있으므로, 도 1 및 도 2와 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 제1 격벽 부재(1200)는 제1 격벽 프레임(1210) 및 제1 격벽 프레임(1210)에 결합되는 하나 이상의 보강 부재(1220, 1230)를 포함할 수 있다.
제1 격벽 프레임(1210)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)에 결합되어 배터리 팩(도 1, 도 2의 1000)의 측벽을 형성할 수 있다. 제1 격벽 프레임(1210)은 강성을 가지는 재료로 형성되어, 배터리 팩(도 1, 도 2의 1000)의 높이 방향(예를 들어, Y축 방향) 및 다른 여러 방향으로 가해지는 하중을 지탱하도록 구비될 수 있다.
제1 격벽 프레임(1210)은 일 방향(예를 들어, X축 방향)으로 연장되는 빔의 형상으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 격벽 프레임(1210)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)의 일부 가장자리를 따라 연장되도록 구비될 수 있다.
제1 격벽 프레임(1210)은 다양한 방식으로 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 격벽 프레임(1210)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 용접되어 결합될 수 있으며, 이 경우 충분한 용접 결합력을 확보하기 위해 제1 격벽 프레임(1210)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 동종의 재료로 형성될 수 있다. 다만, 제1 격벽 프레임(1210)의 재료는 이에 한정되지 않으며, 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 서로 상이한 재료로 형성될 수도 있다.
실시예들에서, 제1 격벽 부재(1200)는 제1 격벽 프레임(1210)의 구조적 안정성을 높일 수 있는 하나 이상의 보강 부재(1220, 1230)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)에서 방출되는 화염 또는 고온의 가스로부터 제1 격벽 프레임(1210)을 보호할 수 있도록, 제1 격벽 부재(1200)는 제1 격벽 프레임(1210)의 일측에 결합되는 제1 보강 부재(1220) 및 제1 보강 부재(1220)와 결합되는 제2 보강 부재(1230)를 포함할 수 있다.
제1 보강 부재(1220)와 제2 보강 부재(1230) 사이에는 빈 공간인 제1 벤팅 유로(P1)가 형성될 수 있으며, 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)에서 방출된 고온의 가스가 제1 벤팅 유로(P1)를 통해 제1 격벽 부재(1200)의 길이 방향(예를 들어, X축 방향)으로 흐를 수 있다. 즉, 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)는 화염이나 고온의 가스의 이동을 가이드하는 유로 부재로서 기능할 수 있다.
실시예들에서 제1 벤팅 유로(P1)는 제1 격벽 부재(1200)의 길이 방향으로 연장되어 형성될 수 있으며, 이에 따라 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)에서 발생된 화염이나 고온의 가스는 제1 벤팅 유로(P1)를 따라 제1 격벽 부재(1200)의 양 단부를 향해 이동할 수 있다. 제1 격벽 부재(1200)의 양 단부로 이동한 화염이나 가스는 팩 하우징에 구비되는 배출구(미도시)를 통해 배터리 팩(도 1, 도 2의 1000) 외부로 배출될 수 있다.
제1 격벽 프레임(1210)을 보호하고 제1 벤팅 유로(P1)를 형성하는 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)는 고온의 열 에너지에도 견딜 수 있는 재료 및 구조로 형성될 필요가 있다. 이를 위해, 실시예들에 따른 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)는 제1 격벽 프레임(1210)보다 용융점이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 격벽 프레임(1210)이 알루미늄으로 형성되는 경우, 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)는 알루미늄의 용융점(약 섭씨 660도)보다 더 높은 용융점을 갖는 재료로 형성될 수 있다.
실시예들에서, 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)는 700℃ 이상의 온도에서 용융되는 고내열성, 고내화성 재료를 포함하여 형성될 수 있다. 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)에 포함되는 고내열성 재료의 예로는 철(Steel), 스테인레스강(Stainless Steel), 운모(Mica) 등의 무기 재료가 있으나, 이에 한정되지 않으며 700℃ 미만의 온도에서 용융되지 않는 재질이라면 어떠한 것이든 포함될 수 있다.
보강 부재(1220, 1230)가 격벽 프레임(1210)과 서로 다른 재료로 형성되는 경우, 상호 간에 용접 결합력이 충분히 확보되지 못할 우려가 있다. 이에 따라, 실시예들에 따른 제1 격벽 부재(1200)는 제1 격벽 프레임(1210)과 보강 부재(1220, 1230)를 보다 단단히 결합시키는 결속 부재(1240)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 결속 부재(1240)는 스크류 또는 볼트 및 너트 등으로 구비될 수 있으며, 제1 격벽 프레임(1210), 제1 및 제2 보강 부재(1220, 1230)를 차례로 관통하여 이들을 체결 시킬 수 있다. 결속 부재(1240)를 통해 제1 격벽 프레임(1210)과 제1 및 제2 보강 부재(1220, 1230)는 물리적으로 체결되어, 고온의 열 에너지 또는 폭발 에너지가 가해지더라도 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
실시예들에 따른 결속 부재(1240)는 복수 개 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 결속 부재(1240)는 제1 격벽 부재(1200)의 길이 방향(X축 방향)을 따라 복수 개 구비될 수 있다. 또한, 복수 개의 결속 부재(1240)는 보강 부재(1220, 1230)를 서로 다른 방향으로 가압하여 격벽 프레임(1210)과 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 결속 부재(1240) 중 일부는 보강 부재(1220, 1230)와 격벽 프레임(1210)을 배터리 팩(도 1, 도 2의 1000)의 너비 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 결합시키고, 나머지 일부는 보강 부재와 격벽 프레임을 배터리 팩(도 1, 도 2의 1000)의 높이 방향(예를 들어, Y축 방향)으로 결합시키도록 구비될 수 있다.
실시예들에서, 제1 격벽 부재(1200) 중 제2 격벽 부재(1300)의 단부와 인접한 부분에는 개구부(H1)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 보강 부재(1230)의 일부 면에는 개구부(H1)인 홀(hole)이 구비될 수 있다. 제2 격벽 부재(1300)는 그 단부가 개구부(H1)와 인접하도록 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)의 상부면에 구비될 수 있으며, 이에 따라 제2 격벽 부재(1300)를 타고 흐르는 화염이나 가스는 개구부(H1)를 통해 제1 벤팅 유로(P1)로 유입될 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여, 제2 격벽 부재(1300)에 관해 상세히 설명한다.
도 5는 실시예들에 따른 제2 격벽 부재(1300)의 분해 사시도이다. 도 5에서 설명되는 제2 격벽 부재(1300)는 도 1 내지 도 4에서 설명되는 제2 격벽 부재(1300)에 대응되는 것이므로, 이와 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 제2 격벽 부재(1300)는 제2 격벽 프레임(1310), 및 제2 격벽 프레임(1310)에 결합되는 하나 이상의 보강 부재(1320)를 포함할 수 있다.
제2 격벽 프레임(1310)은 일 방향(예를 들어, 도 5의 Z축 방향)으로 연장되는 빔의 형상으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 제2 격벽 프레임(1310)은 그 단면의 상부 및 하부가 중간 부분보다 넓은 'I'자형 빔으로 구비될 수 있다.
실시예들에서, 제2 격벽 프레임(1310)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)의 상부면을 가로질러 연장되도록 구비될 수 있다. 제2 격벽 프레임(1310)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)의 상부면에 하나 이상 구비될 수 있으며, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 제2 격벽 프레임(1310)이 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)의 상부면에 평행하게 배치되어 배터리 팩(도 1, 도 2의 1000)의 내부 공간을 구획할 수 있다.
제2 격벽 프레임(1310)은 다양한 방식으로 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 제2 격벽 프레임(1310)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 용접되어 결합될 수 있으며, 이 경우 충분한 용접 결합력을 확보하기 위해 제2 격벽 프레임(1310)은 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 동종의 재료로 형성될 수 있다. 다만, 제2 격벽 프레임(1310)의 재료는 이에 한정되지 않으며, 하부 플레이트(도 1, 도 2의 1100)와 서로 상이한 재료로 형성될 수도 있다.
실시예들에서, 제2 격벽 부재(1300)는 제2 격벽 프레임(1310)의 구조적 안정성을 높일 수 있는 하나 이상의 보강 부재(1320)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)에서 방출되는 화염 또는 고온의 가스로부터 제2 격벽 프레임(1310)을 보호할 수 있도록, 제2 격벽 부재(1300)는 제2 격벽 프레임(1310)의 일측 또는 양측에 결합되는 제3 보강 부재(1320)를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 제3 보강 부재(1320)는 일면이 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)와 마주하고, 타면이 제2 격벽 프레임(1310)과 마주하도록 구비될 수 있다. 이에 따라 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)에서 방출된 화염이나 고온의 가스는 제3 보강 부재(1320)의 일면을 타고 흐르게 되어, 제3 보강 부재(1320)의 타면에 위치하는 제2 격벽 프레임(1310)이 보호될 수 있다.
제3 보강 부재(1320)와 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)의 사이 공간에는 제2 벤팅 유로(P2)가 형성될 수 있다. 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)에서 방출된 고온의 가스는 제2 벤팅 유로(P2)를 통해 제2 격벽 부재(1300)의 길이 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 흐를 수 있다. 즉, 제3 보강 부재(1320)는 화염이나 고온의 가스의 이동 경로를 가이드하는 유로 부재로서 기능할 수 있다.
실시예들에서, 제3 보강 부재(1320)는 제2 격벽 프레임(1310)의 양 측면에 각각 구비될 수 있다. 이에 따라 제2 격벽 부재(1300)의 양 측면에 배치되는 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100)로부터 방출되는 화염으로부터 제2 격벽 프레임(1310)을 보호할 수 있다. 이 경우, 제2 벤팅 유로(P2)는 각각의 제3 보호 부재와 셀 어셈블리(도 1, 도 2의 100) 사이에서 형성될 수 있다.
제2 벤팅 유로(P2)를 형성하는 제3 보강 부재(1320)는 제1 및 제2 보강 부재(1220, 1230)와 마찬가지로 고온의 열 에너지에도 견딜 수 있는 재료 및 구조로 형성될 필요가 있다. 이를 위해, 실시예들에 따른 제3 보강 부재(1320)는 제2 격벽 프레임(1310)보다 용융점이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 격벽 프레임(1310)이 알루미늄으로 형성되는 경우, 제3 보강 부재(1320)는 알루미늄의 용융점(약 섭씨 660도)보다 더 높은 용융점을 갖는 재료로 형성될 수 있다.
실시예들에서, 제3 보강 부재(1320)는 700℃ 이상의 온도에서 용융되는 고내열성, 고내화성 재료를 포함하여 형성될 수 있다. 제3 보강 부재(1320)에 포함되는 고내열성 재료의 예로는 철(Steel), 스테인레스강(Stainless Steel), 운모(Mica) 등의 무기 재료가 있으나, 이에 한정되지 않으며 700℃ 미만의 온도에서 용융되지 않는 재질이라면 어떠한 것이든 포함될 수 있다.
실시예들에 따른 제2 격벽 부재(1300)는 인서트 사출 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 금형 내에 제3 보강 부재(1320)를 배치한 후, 다이캐스팅 방식으로 제2 격벽 프레임(1310)을 형성하여 제3 보강 부재(1320)와 제2 격벽 프레임(1310)을 일체로 제조할 수 있다. 다만, 제2 격벽 부재(1300)의 제조 방법은 상술한 바에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 격벽 프레임(1310)과 제3 보강 부재(1320)는 하나 이상의 결속 부재나 접착 부재를 통해 물리적으로 결합되어 제2 격벽 부재(1300)를 형성할 수 있다.
제2 격벽 부재(1300)에 형성되는 제2 벤팅 유로(P2)를 통해 이동한 화염 또는 가스는 제1 격벽 부재(1200)의 개구부(H1)를 통해 제1 벤팅 유로(P1)로 흘러 들어갈 수 있다. 이하에서는 도 6 내지 도 8을 참고하여, 실시예들에 따른 보강 부재 및 보강 부재가 형성하는 벤팅 유로에 관해 상세히 설명한다.
도 6 및 도 7은 도 1의 I-I`에 따른 단면도이다. 도 8은 도 2의 A 부분의 확대도이다. 도 6 내지 도 8에서 설명되는 배터리 팩(1000) 및 그 구성요소들(예를 들어, 제1 격벽 부재(1200) 및 제2 격벽 부재(1300) 등)은 앞서 도 1 내지 도 5에서 설명되는 배터리 팩(1000) 및 그 구성요소들(예를 들어, 제1 격벽 부재(1200) 및 제2 격벽 부재(1300) 등)과 서로 대응되는 것이므로, 중복되는 설명은 생략한다.
실시예들에 따른 배터리 팩(1000)은 하부 플레이트(1100), 하부 플레이트(1100)의 상부에 안착되는 하나 이상의 셀 어셈블리(100), 하부 플레이트(1100)와 결합되며 내부 공간을 구획하는 제1 격벽 부재(1200)와 제2 격벽 부재(1300), 내부 공간의 상부를 덮는 상부 플레이트(1500)를 포함할 수 있다.
셀 어셈블리(100) 내부에서 발생된 화염이나 고온의 가스는 셀 어셈블리(100) 측면에 구비되는 벤팅 홀(110)을 통해 배터리 팩(1000)의 내부 공간으로 배출될 수 있으며, 이에 따라 화염이나 가스가 내부 공간을 구획하는 격벽 부재(1200, 1300)에 직접적으로 닿아 고온의 열 에너지를 가하게 된다. 화염이나 가스로부터 격벽 부재(1200, 1300)를 보호하기 위해, 실시예들에 따른 배터리 팩(1000)에 구비되는 격벽 부재(1200, 1300)는 하나 이상의 보강 부재(1220, 1230, 1320)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)에 인접하는 제1 격벽 부재(1200)에는 제1 보강 부재(1220) 및 제2 보강 부재(1230)가, 제2 격벽 부재(1300)에는 제3 보강 부재(1320)가 구비될 수 있다.
격벽 부재(1200, 1300)를 효과적으로 보호하기 위해, 실시예들에 따른 보강 부재들(1220, 1230, 1320)은 셀 어셈블리(100)의 벤팅 홀(110)과 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부 플레이트(1100)를 기준으로 제1 내지 제3 보강 부재(1220, 1230, 1320)는 셀 어셈블리(100)의 벤팅 홀(110)과 동일하거나 유사한 높이에서 셀 어셈블리(100)와 마주보게 구비될 수 있다. 이에 따라 벤팅 홀(110)에서 방출되는 화염이나 가스는 보강 부재(1220, 1230, 1320)에 집중적으로 닿게 되므로, 격벽 프레임(1210, 1310)이 고온의 열 충격에 직접적으로 노출되는 것을 최소화할 수 있다.
격벽 부재(1200, 1300)에 구비되는 보강 부재(1220, 1230, 1320)는 격벽 프레임(1210, 1310)을 보호함과 동시에, 셀 어셈블리(100)에서 방출된 가스나 화염이 이동하는 벤팅 유로(P1, P2)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 격벽 부재(1200)에 구비되는 제1 보강 부재(1220)와 제2 보강 부재(1230) 사이 공간에는 제1 벤팅 유로(P1)가 형성될 수 있으며, 제2 격벽 부재(1300)에 구비되는 제3 보강 부재(1320)와 셀 어셈블리(100) 사이 공간에는 제2 벤팅 유로(P2)가 형성될 수 있다. 이에 따라 셀 어셈블리(100)에서 배출되는 고온의 가스는 제2 벤팅 유로(P2)와 제1 벤팅 유로(P1)를 거쳐 배터리 팩(1000) 외부로 원활히 방출될 수 있다. 즉, 실시예들에 따른 보강 부재(1220, 1230, 1320)는 배터리 팩(1000) 내부의 유로 부재로서의 기능을 수행할 수 있다. 다시 말해서, 제1 보강 부재(1220)와 제2 보강 부재(1230)는 서로 결합하여 제1 유로 부재를 형성할 수 있으며, 제3 보강 부재(1320)는 제2 유로 부재를 형성할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 유로 부재는 셀 어셈블리(100)를 향해 개방된 형태로 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1000)은 제2 보강 부재(도 6의 1230)가 생략된 채 구비될 수 있으며, 이 경우, 제1 보강 부재(1220)가 제1 유로 부재를 형성할 수 있다. 이에 따라 셀 어셈블리(100)를 향해 개방된 형태의 제1 벤팅 유로(P1)가 형성될 수 있다. 제2 보강 부재(도 6의 1230)가 생략됨에 따라 배터리 팩(1000)의 전체 무게가 감소될 수 있다. 한편, 도 7에서 설명되는 배터리 팩(1000)은 제2 보강 부재(도 6의 1230)가 생략된 점 외에는 도 6의 배터리 팩(1000)과 동일하므로 도 6과 중복되는 설명은 생략한다.
도 6과 도 8을 참고하여 계속 설명하면, 셀 어셈블리(100)의 벤팅 홀(110)에서 배출되는 고온의 가스는 제3 보강 부재(1320)를 따라 형성되는 제2 벤팅 유로(P2)를 따라 유동할 수 있다. 제3 보강 부재(1320)의 단부는 제1 격벽 부재(1200)의 개구부(H1)와 인접하여 구비될 수 있으며, 이에 따라 제2 벤팅 유로(P2)를 타고 이동한 화염이나 가스는 제1 격벽 부재(1200)의 제1 벤팅 유로(P1)로 유입될 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 격벽 부재(1300)의 일면에 형성되는 제2 벤팅 유로(P2) 및 제1 격벽 부재(1200)에 형성되는 제1 벤팅 유로(P1)는 개구부(H1)를 통해 서로 연통될 수 있다. 따라서 도 8의 굵은 화살표와 같이, 제2 벤팅 유로(P2)를 따라 흐르는 화염이나 가스는 개구부(H1)를 통해 제1 벤팅 유로(P1)로 진입할 수 있으며, 이후 제1 벤팅 유로(P1)를 따라 제1 격벽 부재(1200)의 길이 방향으로 이동할 수 있다. 제1 격벽 부재(1200)의 양 단부로 이동한 화염이나 가스는 팩 하우징에 구비되는 배출구(미도시)를 통해 배터리 팩(1000) 외부로 배출될 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 팩(1000)은 격벽 프레임(1210, 1310)을 보호하는 보강 부재(1220, 1230, 1320)를 구비함으로써, 셀 어셈블리(100)에서 발생된 화염이나 고온의 가스가 격벽 프레임(1210, 1310)에 직접 닿는 것을 최소화할 수 있다. 따라서 화염이나 가스에 의해 배터리 팩의 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 배터리 팩(1000)의 골격을 이루는 격벽 프레임(1210, 1310)은 가벼우면서도 열 전도율이 높은 알루미늄 등을 활용해 제작하는 한편, 고내화성의 보강 부재(1220, 1230, 1320)를 격벽 프레임(1210, 1310)의 일부 영역에 적용함으로써, 가벼우면서도 열적 안정성이 우수한 배터리 팩(1000) 구조를 확보할 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 배터리 팩(1000)은 격벽 프레임(1210, 1310)의 길이 방향을 따라 보강 부재(1220, 1230, 1320)를 구비하여 화염이나 가스의 유동 경로를 가이드 할 수 있는 벤팅 유로(P1, P2)를 형성할 수 있다. 이에 따라 배터리 팩(1000) 내부의 화염이나 고온의 가스를 신속하게 외부로 배출할 수 있으며, 셀 어셈블리들(100) 사이의 연쇄 발화 및 열 폭주를 미연에 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 평균적인 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 또한, 전술한 실시예에서 일부의 구성요소를 삭제하여 실시될 수 있고, 각 실시예들은 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
100... 셀 어셈블리 1000... 배터리 팩
1100... 하부 플레이트 1200... 제1 격벽 부재
1210... 제1 격벽 프레임 1220... 제1 보강 부재
1230... 제2 보강 부재 1240... 결속 부재
1300... 제2 격벽 부재 1310... 제2 격벽 프레임
1320... 제3 보강 부재 1500... 상부 플레이트

Claims (16)

  1. 하나 이상의 셀 어셈블리가 안착되는 하부 플레이트;
    상기 하부 플레이트에 결합되는 하나 이상의 격벽 프레임; 및
    상기 격벽 프레임의 일측에 결합되어 벤팅 유로를 형성하는 하나 이상의 보강 부재를 포함하며,
    상기 보강 부재는 상기 격벽 프레임과 서로 다른 재료로 형성되는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 보강 부재와 상기 격벽 프레임을 상호 결속시키는 하나 이상의 결속 부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 보강 부재는 상기 격벽 프레임보다 용융점이 더 높은 재료로 형성되는 배터리 팩.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 격벽 프레임은 상기 하부 플레이트와 동일한 재료로 형성되며,
    상기 보강 부재는 철, 스테인레스강, 운모 중 적어도 어느 하나를 포함하는 배터리 팩.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 격벽 프레임은
    상기 하부 플레이트의 일측 가장자리를 따라 연장되는 제1 격벽 프레임; 및
    상기 하부 플레이트의 상부면에서 상기 제1 격벽 프레임과 서로 다른 방향으로 연장되는 하나 이상의 제2 격벽 프레임을 포함하며,
    상기 제2 격벽 프레임의 단부는 상기 제1 격벽 프레임의 일측에 인접하는 배터리 팩.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 보강 부재는
    일면이 상기 제1 격벽 프레임에 결속되는 제1 보강 부재; 및
    상기 제1 보강 부재의 타면과 결속되는 제2 보강 부재를 포함하며,
    상기 제1 보강 부재와 상기 제2 보강 부재의 사이 공간에 제1 벤팅 유로가 형성되는 배터리 팩.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 보강 부재는
    상기 제2 격벽 프레임의 양 측면에 각각 결속되는 제3 보강 부재를 더 포함하며,
    상기 제3 보강 부재를 따라 제2 벤팅 유로가 형성되는 배터리 팩.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 보강 부재 중 상기 제2 격벽 프레임의 단부와 인접한 부분에 개구부가 구비되며,
    상기 제2 벤팅 유로는 상기 개구부를 통해 상기 제1 벤팅 유로와 연통되는 배터리 팩.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 서로 이웃한 상기 제2 격벽 프레임 사이에 구비되며,
    상기 셀 어셈블리 중 상기 제3 보강 부재와 마주보는 일면에는 벤팅 홀이 구비되는 배터리 팩.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 보강 부재와 상기 격벽 프레임을 상호 결속시키는 하나 이상의 결속 부재를 더 포함하며,
    상기 결속 부재는 상기 제1 보강 부재와 상기 제2 보강 부재를 관통하여 상기 제1 격벽 프레임에 체결되는 배터리 팩.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 결속 부재는 상기 제1 격벽 프레임의 길이 방향을 따라서 복수 개 구비되는 배터리 팩.
  12. 수용 공간이 구비되는 팩 하우징; 및
    상기 수용 공간에 수용되는 하나 이상의 셀 어셈블리를 포함하고,
    상기 팩 하우징은
    상기 셀 어셈블리가 안착되는 하부 플레이트; 및
    상기 하부 플레이트의 적어도 일부 가장자리를 따라 연장되는 제1 격벽 부재를 포함하며,
    상기 제1 격벽 부재는 700℃ 이상의 온도에서 용융되는 재료로 형성되는 제1 유로 부재를 포함하는 배터리 팩.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 유로 부재는 상기 셀 어셈블리와 마주보게 구비되는 배터리 팩.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 팩 하우징은 상기 수용 공간을 구획하는 하나 이상의 제2 격벽 부재를 더 포함하며,
    상기 제2 격벽 부재는 700℃ 이상의 온도에서 용융되는 재료로 형성되는 제2 유로 부재를 포함하는 배터리 팩.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 유로 부재는 상기 제2 격벽 부재의 양 측면에 각각 구비되는 배터리 팩.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 격벽 부재의 단부는 상기 제1 유로 부재의 일면에 인접하며,
    상기 제1 유로 부재 중 상기 제2 격벽 부재의 상기 단부가 인접하는 부분에는 개구부가 구비되는 배터리 팩.
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