KR20230131098A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20230131098A
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battery pack
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이승훈
유탁경
최양규
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에스케이온 주식회사
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Abstract

적어도 하나의 배터리 모듈; 및 배터리 모듈이 수용되는 내부 공간을 갖는 팩 하우징을 포함하며, 적어도 하나의 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및 셀 적층체의 상면을 덮으며, 팩 하우징에 결합되는 상부 커버를 포함하는 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지(배터리 셀)는 일차전지와 달리 충방전이 가능하다는 편리성이 있어, 각종 모바일 기기 및 전기 자동차 등의 동력원으로 많은 주목을 받고 있다. 배터리 모듈은 이러한 배터리 셀을 복수 개 연결하여 모듈화한 것이며, 배터리 팩은 배터리 모듈 및/또는 배터리 셀을 다수 개 연결하여 대용량의 에너지 저장 장치로 구성한 것이다. 배터리 팩에 요구되는 에너지 용량이 점차 증가됨에 따라, 배터리 팩 내부에는 다수의 배터리 모듈이 배치되고 있다.
도 1은 종래의 배터리 팩(BP)의 내부를 예시적으로 나타낸다.
배터리 모듈(BM)이 외부로부터 심한 충격을 받는 경우, 또는 가혹한 충전 및 방전을 거듭하는 경우, 배터리 모듈(BM)의 내부에서 고온의 가스나 화염이 발생되는 열 폭주 현상이 발생될 수 있다.
열 폭주 현상이 발생됨에 따라, 배터리 모듈(BM)에서 고온의 가스나 화염이 배터리 팩(BP) 내부로 지속적으로 방출되게 된다. 이러한 고온의 가스나 화염은 배터리 모듈(BM) 사이에 배치되는 격벽 구조물(BS)을 타고 넘어가 인접한 다른 배터리 모듈(BM)로 전파될 우려가 있었다. 이에 따라, 열 폭주가 발생된 배터리 모듈(BM)에 인접한 다른 배터리 모듈도 연쇄적으로 발화하여 배터리 팩(BP)의 열 폭주 현상이 가속화될 위험이 있다.
이러한 연쇄적 발화를 막기 위해, 어느 한 배터리 모듈에서 발생된 가스나 화염이 인접한 다른 배터리 모듈로 전이되지 않도록 차단할 수 있는 배터리 팩이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 열 폭주 상황에서 인접한 다른 배터리 모듈로 가스나 화염이 전파되는 것을 차단할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에서, 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 배터리 모듈이 수용되는 내부 공간을 갖는 팩 하우징을 포함하며, 적어도 하나의 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및 셀 적층체의 상면을 덮으며, 팩 하우징에 결합되는 상부 커버를 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
실시예들에서, 상부 커버는 셀 적층체와 대면하는 바디부; 및 바디부와 연결되며 팩 하우징에 결합되는 플랜지부를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 바디부와 플랜지부의 사이에 단차가 형성될 수 있다.
실시예들에서, 복수의 배터리 셀은 제1 방향으로 적층되어 배치되며, 플랜지부는 바디부의 제1 방향에 수직한 제2 방향의 단부에 연결될 수 있다.
실시예들에서, 팩 하우징은 적어도 하나의 배터리 모듈이 안착되는 하부 프레임; 상부 커버의 상부에 배치되어 내부 공간을 덮는 상부 프레임; 및 하부 프레임과 상부 프레임 사이에 배치되며, 벤팅 유로가 형성되는 크로스 프레임을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 플랜지부는 크로스 프레임에 결합될 수 있다.
실시예들에서, 셀 적층체는 복수의 배터리 셀의 하부가 노출된 상태로 하부 프레임에 대향할 수 있다.
실시예들에서, 적어도 하나의 배터리 모듈은 셀 적층체와 전기적으로 연결되며, 단자부가 배치되는 버스바 어셈블리; 및 버스바 어셈블리와 대향하며, 벤팅 홀이 배치되는 사이드 커버를 더 포함하며, 벤팅 홀은 셀 적층체에서 발생된 가스가 배출될 수 있도록 구성될 수 있다.
실시예들에서, 벤팅 홀은 크로스 프레임과 대향할 수 있다.
실시예들에서, 적어도 하나의 배터리 모듈은 버스바 어셈블리에 배치되는 센싱 유닛을 더 포함하며, 상부 커버는 단자부 및 센싱 유닛이 노출되는 개구부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 배터리 팩은 플랜지부의 상부에 결합되어 개구부를 덮는 차폐 부재를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 배터리 팩은 차폐 부재 및 플랜지부를 관통하여 크로스 프레임에 체결되는 체결 부재를 더 포함할 수 있다.
실시예들에서, 적어도 하나의 배터리 모듈은 셀 적층체의 적어도 일측에 대면하는 엔드 커버를 더 포함하며, 사이드 커버는 엔드 커버의 단부에 결합될 수 있다.
실시예들에서, 상부 커버는 엔드 커버 및 사이드 커버에 각각 결합될 수 있다.
실시예들에서, 복수의 수용 공간을 갖는 팩 하우징; 복수의 수용 공간에 각각 수용되며, 제1 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 셀 적층체; 복수의 수용 공간 중 적어도 하나를 덮는 상부 커버를 포함하며, 팩 하우징은 복수의 셀 적층체가 안착되는 하부 프레임; 및 하부 프레임과 연결되며, 복수의 수용 공간 사이에 배치되는 크로스 프레임을 포함하며, 상부 커버는 크로스 프레임에 결합되는 배터리 팩이 제공된다.
실시예들에서, 상부 커버는 복수의 셀 적층체의 수량에 대응하여 복수 개로 마련될 수 있다.
실시예들에서, 배터리 팩은 셀 적층체와 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리; 버스바 어셈블리와 대향하는 사이드 커버; 및 셀 적층체와 제1 방향으로 대향하는 엔드 커버를 더 포함하며, 사이드 커버 및 엔드 커버는 상부 커버와 결합될 수 있다.
실시예들에서, 사이드 커버는 셀 적층체에서 발생된 가스가 배출될 수 있는 벤팅 홀을 더 포함하며, 벤팅 홀은 크로스 프레임의 적어도 일면을 따라 형성되는 벤팅 유로와 연통될 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 팩에 따르면, 열 폭주 상황에서 인접한 다른 배터리 모듈로 가스나 화염이 전파되는 것을 차단하고, 가스나 화염이 팩 하우징의 벤팅 유로를 통해 흐르도록 유도할 수 있으므로, 배터리 팩의 안정성이 증대될 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 팩의 내부를 예시적으로 나타낸다.
도 2는 실시예들에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 배터리 팩에 수용되는 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 배터리 모듈의 상부 커버의 사시도이다.
도 5는 배터리 팩의 수용 공간에 배터리 모듈이 수용되는 모습을 예시적으로 나타낸다.
도 6은 도 2의 I-I' 부분에 따른 예시적 단면도이다.
도 7은 팩 하우징에 차폐 부재가 결합되는 모습을 예시적으로 나타낸다.
도 8은 도 7의 II-II' 부분에 따른 예시적 단면도이다.
도 9는 열 폭주 상황에서 배터리 팩의 내부를 예시적으로 나타낸다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 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 해석되어야 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.
본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조 번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서, 서로 다른 실시예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명할 수 있다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성 요소를 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 모두 하나의 실시예를 의미하는 것은 아니다.
이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "구성하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 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 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성 요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며, 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안될 것이다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성 요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한 해석되어서는 안된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 예를 들어, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 구성요소의 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 9를 참고하여, 실시예들에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 설명한다.
도 2는 실시예들에 따른 배터리 팩의 분해 사시도이다.
배터리 팩(10)은 적어도 하나의 배터리 모듈(100), 및 배터리 모듈(100)이 수용되는 내부 공간(S)을 갖는 팩 하우징(200)을 포함할 수 있다.
팩 하우징(200)의 내부 공간(S)은 복수의 수용 공간(S1, S2)으로 구획될 수 있다. 각각의 수용 공간(S1, S2)에는 하나 이상의 배터리 모듈(100)이 수용될 수 있다.
예를 들어, 도 2는 4개의 수용 공간에 각각 배터리 모듈(100)이 하나씩 수용된 배터리 팩(10)을 나타낸다. 다만, 도 2에 도시된 것은 예시일 뿐이며, 배터리 팩(10)은 3개 이하 또는 5개 이상의 수용 공간을 가질 수도 있다. 또한, 각각의 수용 공간(S1, S2)에는 둘 이상의 배터리 모듈(100)이 수용될 수도 있다.
팩 하우징(200)은 배터리 모듈(100)이 안착되는 하부 프레임(210) 및 하부 프레임(210)에 결합되어 팩 하우징(200)의 높이 방향의 강성을 제공하는 크로스 프레임(220)을 포함할 수 있다.
팩 하우징(200)은 크로스 프레임(220)에 결합되어 팩 하우징(200)의 내부 공간(S)을 덮는 상부 프레임(230)을 더 포함할 수 있다.
하부 프레임(210)은 팩 하우징(200)의 하부면을 형성한다. 하부 프레임(210)은 복수의 배터리 모듈(100)이 안착되는 안착면을 가지는 판형 부재로 형성될 수 있다.
크로스 프레임(220)은 하부 프레임(210)에 결합될 수 있다. 크로스 프레임(220)은 하부 프레임(210)의 상면에서 제1 방향(Y축 방향) 또는 제2 방향(X축 방향)으로 연장되어 팩 하우징(200)의 내부 공간(S)을 복수의 수용 공간(S1, S2)으로 구획할 수 있다. 크로스 프레임(220)은 각각의 수용 공간(S1, S2)에 수용된 배터리 모듈(100)의 측면을 커버할 수 있도록 구성될 수 있다.
상부 프레임(230)은 크로스 프레임(220)의 상부에 결합되어 팩 하우징(200)의 내부 공간(S)을 전체적으로 덮을 수 있다.
크로스 프레임(220)의 적어도 일면을 따라서, 벤팅 유로(V1)가 형성될 수 있다. 여기서 벤팅 유로(V1)는 배터리 모듈(100)에서 방출되는 가스 또는 화염이 유동하는 통로를 의미할 수 있다. 배터리 모듈(100)에 포함되는 배터리 셀(111)이 가혹한 조건에서 충전 및 방전됨에 따라, 배터리 셀(111)에서 화염 또는 고온의 가스가 발생될 수 있다. 이러한 화염이나 가스를 배터리 모듈(100) 외부로 원활하게 배출하기 위해, 배터리 모듈(100)은 하나 이상의 벤팅 홀(131)을 구비할 수 있다. 벤팅 홀(131)을 통해 배터리 모듈(100)에서 팩 하우징(200)의 내부 공간(S)으로 방출되는 가스나 화염은 벤팅 유로(V1)를 따라 유동하여 팩 하우징(200)에 배치되는 배출구(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출구(미도시)는 팩 하우징(200)의 전면 또는 후면에 배치될 수 있으나, 그 구체적인 위치는 이에 한정되는 것은 아니다.
벤팅 유로(V1)는 크로스 프레임(220)의 유로부(221)를 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 유로부(221)는 크로스 프레임(220) 내부에서 제1 방향(Y축 방향)으로 연장되는 빈 공간일 수 있다. 또는 유로부(221)는 크로스 프레임(220)의 일측 표면을 따라 형성되는 공간일 수 있다.
팩 하우징(200)의 적어도 일부는 일정 이상의 강성 가지는 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 프레임(210)의 적어도 일부는 알루미늄을 포함할 수 있다. 하부 프레임(210)이 알루미늄을 포함하는 경우, 알루미늄의 뛰어난 열 전도성으로 인하여 배터리 모듈(100)에서 발생된 열 에너지가 배터리 팩(10) 외부로 신속하게 방열되는 효과를 기대할 수 있다.
방열 효과를 높이기 위해, 하부 프레임(210)에는 방열 부재(미도시)나 냉각 부재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)이 안착되는 하부 프레임(210)의 상면에는 배터리 모듈(100)에서 발생되는 열 에너지를 하부 프레임(210) 방향으로 신속하게 전달시키는 방열 부재(미도시)가 배치될 수 있다.
팩 하우징(200)에는 복수의 배터리 모듈(100)이 수용될 수 있다. 이하에서는 도 3 내지 도 6을 참고하여 배터리 팩(10)에 포함되는 배터리 모듈(100)에 관해 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 배터리 팩(10)에 수용되는 배터리 모듈(100)의 분해 사시도이다. 도 4는 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)의 사시도이다. 도 5는 배터리 팩(10)의 수용 공간에 배터리 모듈(100)이 수용되는 모습을 예시적으로 나타낸다. 도 6은 도 2의 I-I' 부분에 따른 예시적 단면도이다.
도 3 및 도 6에서 설명되는 배터리 모듈(100) 및 배터리 팩(10)은 앞서 도 2에서 설명되는 배터리 모듈(100) 및 배터리 팩(10)에 대응되는 것이므로, 중복되는 설명은 생략될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 팩 하우징(200)의 수용 공간(S1, S2)에 수용될 수 있다. 하나의 배터리 팩(10)에 있어서, 수용 공간(S1, S2)은 복수 개가 마련될 수 있으며, 각각의 수용 공간(S1, S2)에 배터리 모듈(100)이 하나 이상 수용될 수 있다.
복수의 배터리 모듈(100) 중 적어도 하나는 제1 방향(Y축 방향)으로 적층된 복수의 배터리 셀(111)을 포함하는 셀 적층체(110), 셀 적층체(110)와 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리(120), 버스바 어셈블리(120)를 커버하는 사이드 커버(130)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(110)는 서로 전기적으로 연결된 복수의 배터리 셀(111)들을 포함할 수 있다.
셀 적층체(110)에 포함되는 배터리 셀(111)은 파우치 내부에 전극 조립체(미도시)가 수납된 구조를 가지는 파우치형(pouch type) 이차전지일 수 있다. 파우치형 이차전지에서, 전극 조립체(미도시) 및 전해액(미도시)은 한 장 또는 복수의 외장재를 포밍(forming)하여 형성되는 파우치 내부에 수납될 수 있다.
다만, 배터리 셀(111)은 파우치형 이차전지로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리 셀(111)은 각형의 캔형(can type) 이차전지로 구성되는 것도 가능하다. 또는, 배터리 셀(111)은 복수의 파우치형 이차전지를 그룹화하여 번들로 형성한 구성을 갖는 것도 가능하다.
복수의 배터리 셀(111)은 제1 방향(Y축 방향)으로 적층되어 셀 적층체(110)의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
셀 적층체(110)는 배터리 셀(111)들을 보호하는 보호 부재(112)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 보호 부재(112)는 배터리 셀(111)들 사이에 배치되어 배터리 셀(111)들 사이의 열 전파를 차단하는 단열성 부재일 수 있다. 또는 보호 부재(112)는 배터리 셀(111)과 대면하여 배터리 셀(111)에 면압을 제공하는 압축성 부재일 수 있다. 또는 보호 부재(112)는 단열성 부재와 압축성 부재가 서로 조합되어 열 차단 및 면압 제공을 동시에 수행할 수도 있다.
배터리 모듈(100)은 셀 적층체(110)의 배터리 셀(111)들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리(120)를 포함할 수 있다.
버스바 어셈블리(120)는 셀 적층체(110)의 적어도 일측에 대향할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참고하면, 버스바 어셈블리(120)는 셀 적층체(110)와 제2 방향(X축 방향)으로 대향하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제2 방향(X축 방향)은 배터리 셀(111)들의 적층 방향인 제1 방향(Y축 방향)에 수직한 방향일 수 있다.
버스바 어셈블리(120)는 도전성 버스바를 포함하여, 셀 적층체(110)의 적어도 일측에 배치되어, 배터리 셀(111)들 상호간을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 버스바 어셈블리(120)는 한 쌍으로 마련되어 셀 적층체(110)의 양 측에 각각 하나씩 배치될 수 있다. 다만, 한 쌍의 버스바 어셈블리(120)는 서로 연결되어 하나의 구성품으로 형성될 수도 있다.
버스바 어셈블리(120)에는 복수의 단자부(121)가 배치될 수 있다. 단자부(121)는 도전성 버스바 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되며, 배터리 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 셀 적층체(110)의 배터리 셀(111)들은 단자부(121)를 통해 배터리 모듈(100) 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
버스바 어셈블리(120)에는 셀 적층체(110)의 열적, 전기적 상태를 감지하고, 배터리 모듈(100)의 외부와 신호를 주고받을 수 있는 센싱 유닛(122)이 배치될 수 있다. 센싱 유닛(122)은 버스바 어셈블리(120)의 일면에 배치될 수 있다. 센싱 유닛(122)은 셀 적층체(110)의 배터리 셀(111)들의 온도나 전압 값 등의 정보를 배터리 모듈(100)의 외부로 전송하거나, 또는 배터리 모듈(100) 외부로부터 신호를 수신할 수 있도록 구성된다. 단자부(121)와 마찬가지로, 센싱 유닛(122)은 배터리 모듈(100)의 외부로 노출되어, 배터리 모듈(100) 외부의 전기 회로와 연결될 수 있다.
배터리 모듈(100)에서 버스바 어셈블리(120)가 배치되는 쪽의 최외곽에는 사이드 커버(130)가 배치될 수 있다. 사이드 커버(130)는 강성을 가지는 재료(예를 들어, 알루미늄 등의 금속이나 수지화합물)를 포함하여, 셀 적층체(110) 및 버스바 어셈블리(120)를 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다.
사이드 커버(130)는 버스바 어셈블리(120)와 대향하여 버스바 어셈블리(120)를 커버할 수 있다.
사이드 커버(130)와 버스바 어셈블리(120)가 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위해, 사이드 커버(130)와 버스바 어셈블리(120) 사이에는 절연성 재료를 포함하는 절연 커버(미도시)가 배치될 수 있다.
사이드 커버(130)에는 셀 적층체(110)에서 발생되는 가스 또는 화염이 배출될 수 있는 벤팅 홀(131)이 배치될 수 있다. 벤팅 홀(131)은 사이드 커버(130)의 길이 방향을 따라 나란히 배치될 수 있다.
사이드 커버(130)의 벤팅 홀(131)은 팩 하우징(200)의 크로스 프레임(220)과 대향할 수 있다. 예를 들어, 벤팅 홀(131)은 크로스 프레임(220)과 제2 방향(X축 방향)으로 대향할 수 있다.
벤팅 홀(131)은 크로스 프레임(220)에 형성되는 벤팅 유로(V1)와 연통될 수 있다. 따라서, 배터리 모듈(100) 내부에서 발생되어 벤팅 홀(131)을 통해 배출되는 가스나 화염은 팩 하우징(200)의 벤팅 유로(V1)로 유입될 수 있다.
사이드 커버(130)와 버스바 어셈블리(120) 사이에는 배터리 모듈(100) 외부의 가스나 화염이 셀 적층체(110)로 유입되는 것을 차단하는 차단 부재(미도시)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 차단 부재(미도시)는 세라믹 울과 같은 단열성, 내열성 재료를 포함하여, 고온의 가스나 화염이 배터리 모듈(100) 외부에서 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 셀 적층체(110)의 적어도 일측에 대향하는 엔드 커버(160)를 더 포함할 수 있다. 엔드 커버(160)는 강성을 가지는 재료(예를 들어, 알루미늄 등의 금속이나 수지화합물)를 포함하여, 셀 적층체(110)를 외부의 충격으로부터 보호할 수 있다.
엔드 커버(160)는 셀 적층체(110)와 대면하도록 배치되어, 셀 적층체(110)에 면압을 가할 수 있다. 예를 들어, 엔드 커버(160)는 배터리 셀(111)의 적층 방향인 제1 방향(Y축 방향)으로 배터리 셀(111)과 대면할 수 있으며, 이에 따라, 배터리 셀(111)에 면압을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.
엔드 커버(160)는 셀 적층체(110)의 서로 다른 면을 커버할 수 있도록 한 쌍으로 제공될 수 있다. 이 경우, 셀 적층체(110)는 한 쌍의 엔드 커버(160) 사이에 배치될 수 있다. 한 쌍의 엔드 커버(160)는 사이드 커버(130)와 각각 결합되어 배터리 모듈(100)의 측면을 구성하고, 셀 적층체(110)를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다.
엔드 커버(160)는 사이드 커버(130)와 서로 다른 방향으로 셀 적층체(110)와 대향할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔드 커버(160)는 셀 적층체(110)와 제1 방향(Y축 방향)으로 마주보게 배치될 수 있으며, 사이드 커버(130)는 버스바 어셈블리(120)를 사이에 두고 셀 적층체(110)와 제2 방향(X축 방향)으로 마주보게 배치될 수 있다. 이에 따라, 한 쌍의 사이드 커버(130), 한 쌍의 엔드 커버(160)는 배터리 모듈(100)의 네 측면을 구성할 수 있다.
사이드 커버(130)의 양 단부는 엔드 커버(160)와 결합될 수 있다. 엔드 커버(160)와 사이드 커버(130)의 결합에는 체결 부재(180a)가 활용될 수 있다. 예를 들어, 복수의 체결 부재(180a)가 엔드 커버(160)를 관통하여 사이드 커버(130)에 체결되고, 이에 따라 엔드 커버(160)와 사이드 커버(130)가 상호 고정될 수 있다. 다만, 엔드 커버(160)와 사이드 커버(130)의 결합 방식은 상술한 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 엔드 커버(160)는 사이드 커버(130)와 용접되어 결합될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 셀 적층체(110)의 상부를 덮는 상부 커버(170)를 더 포함할 수 있다. 이하의 설명에서, '상부' 또는 '상측 방향'은 Z축 양의 방향을 의미할 수 있다.
배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)는 팩 하우징(200)에 결합되어, 팩 하우징(200)의 개별 수용 공간(S1, S2)을 덮을 수 있다.
상부 커버(170)는 셀 적층체(110)와 대향하는 바디부(171), 바디부(171)에 연결되며 팩 하우징(200)과 결합되는 플랜지부(172)를 포함할 수 있다.
상부 커버(170)의 바디부(171)는 셀 적층체(110)와 제3 방향(Z축 방향)으로 대향할 수 있다. 이 경우, 제3 방향(Z축 방향)은 배터리 팩(10)의 높이 방향으로, 제1 방향(Y축 방향) 및 제2 방향(X축 방향)에 모두 수직한 방향일 수 있다.
바디부(171)와 셀 적층체(110) 사이에는 셀 적층체(110)의 상측 방향으로 열 전파를 차단하는 열 차단 부재(미도시)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 열 차단 부재(미도시)는 운모, 세라믹 울, 에어로 겔 등의 내열성 또는 단열성을 가지는 재료를 포함하여, 셀 적층체(110)의 상측 방향으로 고온의 열 에너지가 퍼져나가는 것을 차단할 수 있다.
플랜지부(172)는 바디부(171)의 가장자리에 배치될 수 있다. 예를 들어, 플랜지부(172)는 바디부(171)의 제2 방향(X축 방향) 단부와 연결되도록 구성될 수 있다.
플랜지부(172)와 바디부(171) 사이에는 단차가 형성될 수 있다. 예를 들어, 플랜지부(172)는 바디부(171)보다 하부 프레임(210)에 더 가까이 배치될 수 있으며, 플랜지부(172)와 바디부(171)를 연결하는 단차부(173)가 형성될 수 있다. 단차부(173)의 적어도 일부는 사이드 커버(130)와 제2 방향(X축 방향)으로 대향할 수 있다.
상부 커버(170)는 엔드 커버(160) 및 사이드 커버(130)와 각각 결합될 수 있다. 예를 들어, 상부 커버(170)에서, 바디부(171)의 제1 방향(Y축 방향) 가장자리는 체결 부재(180b)를 통해 엔드 커버(160)와 결합될 수 있다. 또한, 단차부(173)는 체결 부재(180c)를 통해 사이드 커버(130)와 결합될 수 있다. 다만, 상부 커버(170)와 엔드 커버(160) 및 사이드 커버(130) 사이의 결합 구조는 상술한 바에 한정되는 것은 아니며, 상부 커버(170)와 엔드 커버(160) 및 사이드 커버(130)를 서로 고정시킬 수 있다면 어떠한 방식으로도 가능하다. 예를 들어, 상부 커버(170)는 엔드 커버(160) 및 사이드 커버(130)와 각각 용접 결합될 수도 있다.
플랜지부(172)는 크로스 프레임(220)과 결합될 수 있다. 예를 들어, 체결 부재(250a)가 플랜지부(172)를 관통하여 크로스 프레임(220)에 체결되며, 이에 따라 플랜지부(172)와 크로스 프레임(220)이 상호 결합될 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 체결 부재(250a)는 플랜지부(172)를 제3 방향(Z축 방향)으로 관통하여 크로스 프레임(220)의 상면에 체결될 수 있다. 다만, 플랜지부(172)와 크로스 프레임(220)의 결합 방식은 도면에 도시된 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 플랜지부(172)와 크로스 프레임(220)은 레이저 용접에 의해 접합될 수도 있다.
플랜지부(172)는 크로스 프레임(220)과 대면 접촉될 수 있다. 예를 들어, 플랜지부(172)와 크로스 프레임(220)이 상호 면 접촉될 수 있도록, 플랜지부(172)의 적어도 일부 면은 크로스 프레임(220)의 적어도 일면과 평행하도록 구성될 수 있다. 이러한 면 접촉 구조에 의해, 플랜지부(172)가 크로스 프레임(220)에 결합됨에 따라, 플랜지부(172)와 크로스 프레임(220) 사이는 가스나 화염이 빠져나가지 않도록 밀착될 수 있다.
플랜지부(172)가 크로스 프레임(220)과 결합된 상태에서, 배터리 모듈(100)의 벤팅 홀(131)은 크로스 프레임(220)과 대향할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)의 벤팅 홀(131)은 크로스 프레임(220)의 유로부(221) 및 유로부(221)를 따라 제1 방향(Y축 방향)으로 형성되는 벤팅 유로(V1)와 제2 방향(X축 방향)으로 대향할 수 있다. 상부 커버(170)는 서로 마주보는 벤팅 홀(131)과 유로부(221) 사이의 갭을 덮어, 벤팅 홀(131)에서 배출되는 가스나 화염이 자연스럽게 유로부(221)로 유입될 수 있도록 가이드 할 수 있다. 이에 따라, 벤팅 홀(131)에서 배출되는 가스 또는 화염은 유로부(221)를 따라 형성되는 벤팅 유로(V1)를 통해 흘러 나갈 수 있다.
상부 커버(170)는 어느 하나의 수용 공간(S1, S2)을 덮어 그 수용 공간(S1, S2)을 일종의 격실로 만들 수 있다. 즉, 상부 커버(170)에 의해 덮인 수용 공간(S1, S2)은 크로스 프레임(220)의 유로부(221)에 연통되되, 상부 커버(170)와 크로스 프레임(220) 사이를 통해 가스나 화염이 빠져나가는 것이 차단되도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 상부 커버(170)는 배터리 모듈(100)에서 배출되는 가스나 화염이 크로스 프레임(220)을 넘어 인접한 수용 공간(S1, S2)으로 흘러가는 것을 차단할 수 있다.
즉, 종래의 배터리 모듈(도 1의 BM) 및 배터리 팩(도 1의 BP)의 경우, 배터리 모듈(도 1의 BM)에서 발생된 가스나 화염이 배터리 모듈(도 1의 BM)이 수용된 공간을 넘어 인접한 다른 배터리 모듈(도 1의 BM)로 쉽게 전파될 수 있었으나, 실시예들에 따른 배터리 팩(10)의 경우, 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)가 수용 공간(S1, S2)을 덮어 가스나 화염의 전파를 차단할 수 있다.
어느 한 수용 공간(S1, S2) 내부의 가스나 화염이 크로스 프레임(220)을 타고 넘어가는 것이 상부 커버(170)에 의해 차단됨에 따라, 가스나 화염은 자연스럽게 크로스 프레임(220)을 따라 형성되는 벤팅 유로(V1)로 유입될 수 있다. 이후, 가스나 화염은 벤팅 유로(V1)를 따라 유동하여 팩 하우징(200)의 배출구(미도시)를 통해 안전하게 배터리 팩(10) 외부로 배출될 수 있다.
실시예들에 따른 배터리 모듈(100) 및 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100)의 상부를 덮는 별도의 밀폐용 부재 없이 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)를 이용하여 배터리 모듈(100)이 수용되는 공간을 격실로 구성할 수 있다.
또한, 배터리 모듈(100)의 구조물(예를 들어, 엔드 커버(160) 및 사이드 커버(130))과 결합된 상부 커버(170)가 크로스 프레임(220)과 결합됨에 따라, 배터리 팩(10)의 구조적 안정성이 더욱 증가할 수 있다.
따라서, 실시예들에 따른 배터리 팩(10)은 간단하고 안정적인 구조를 가지면서, 그와 동시에 배터리 모듈(100)이 수용된 수용 공간들(S1, S2)을 상호 격리시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다.
한편, 배터리 모듈(100)의 하부면은 셀 적층체(110)가 노출되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)은 셀 적층체(110)의 측면은 사이드 커버(130) 및 엔드 커버(160)에 의해 커버되고, 셀 적층체(110)의 상면은 상부 커버(170)에 의해 커버되는 구조를 가지되, 셀 적층체(110)의 하부면을 덮는 별도의 커버 부재를 가지지 않을 수 있다.
따라서 셀 적층체(110)의 배터리 셀(111)은 배터리 모듈(100)의 하부 방향으로 노출될 수 있다. 이하의 설명에서, '하부 방향'은 Z축 음의 방향을 의미할 수 있다. 이와 같은 구조에 의할 경우, 셀 적층체(110)의 배터리 셀(111)은 배터리 모듈(100) 외부의 구성에 직접 노출될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(111)은 하부가 노출된 상태로 팩 하우징(200)의 하부 프레임(210)에 대향할 수 있다. 또는 배터리 셀(111)은 하부가 노출된 상태로 하부 프레임(210)의 상면에 배치되는 방열 부재(미도시)와 대향할 수 있다. 이에 따라, 셀 적층체(110)로부터 하부 방향으로 열 배출이 원활히 이루어질 수 있어, 배터리 모듈(100)의 방열 효율이 증가할 수 있다.
배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)에는 개구부(174, 175)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상부 커버(170)에 있어서 단자부(121) 및 센싱 유닛(122)과 대응되는 위치에는 형성되는 홀(Hole) 또는 회피 구조인 개구부(174, 175)가 배치될 수 있다. 개구부(174, 175)는 단자부(121)가 노출되는 제1 개구부(174) 및 센싱 유닛(122)이 노출되는 제2 개구부(175)를 포함할 수 있다.
배터리 모듈(100)의 단자부(121) 및 센싱 유닛(122)은 제1 개구부(174) 및 제2 개구부(175)를 통해 배터리 모듈(100)의 외부로 노출될 수 있다. 이러한 개구부(174, 175)를 통해 배터리 모듈(100) 내부의 가스 또는 화염이 상부 커버(170) 너머로 빠져나가지 않도록, 배터리 팩(10)은 상부 커버(170)의 개구부(174, 175)를 덮는 차폐 부재를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 9를 참고하여, 이러한 차폐 부재를 더 포함하는 배터리 팩(10)에 관해 설명한다.
도 7은 팩 하우징(200)에 차폐 부재(240)가 결합되는 모습을 예시적으로 나타낸다. 도 8은 도 7의 II-II' 부분에 따른 예시적 단면도이다. 도 9는 열 폭주 상황에서 배터리 팩(10')의 내부를 예시적으로 나타낸다.
도 7 내지 도 9에서 설명되는 배터리 모듈(100) 및 배터리 팩(10')은 앞서 도 1 내지 도 6에서 설명되는 배터리 모듈(100) 및 배터리 팩(10')에 있어서, 차폐 부재(240)가 추가된 것이다. 따라서, 도 7 내지 도 9의 배터리 팩(10')에 있어서, 차폐 부재(240)를 제외한 나머지 구성은 도 1 내지 도 6에서 설명되는 배터리 팩(10)의 구성에 대응될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)의 구조 및 팩 하우징(200)의 구조는 도 1 내지 도 6의 설명을 참고할 수 있다.
배터리 팩(10')은 상부 커버(170)와 결합되어 배터리 모듈(100)이 수용된 수용 공간(S1, S2)의 밀폐성을 향상시키는 차폐 부재(240)를 더 포함할 수 있다.
차폐 부재(240)는 크로스 프레임(220)의 길이 방향과 나란한 방향, 즉, 제1 방향(Y축 방향)으로 연장될 수 있다.
차폐 부재(240)의 적어도 일부는 상부 커버(170)의 플랜지부(172)와 제3 방향(Z축 방향)으로 대향하도록 배치될 수 있다.
차폐 부재(240)는 상부 커버(170)의 플랜지부(172)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 체결 부재(250b)가 차폐 부재(240)와 플랜지부(172)를 차례로 관통하여 크로스 프레임(220)에 체결될 수 있다.
차폐 부재(240)는 상부 커버(170)의 단차 형상에 대응하는 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 차폐 부재(240)는 상부 커버(170)에 밀착 결합될 수 있다.
차폐 부재(240)는 플랜지부(172)에 결합되어 상부 커버(170)의 개구부(174, 175)를 덮을 수 있다. 차폐 부재(240)는 배터리 모듈(100) 내부에서 발생되는 가스나 화염이 개구부(174, 175)를 통해 유출되는 것을 차단할 수 있다.
어느 하나의 차폐 부재(240)는 제2 방향(X축 방향)으로 배치된 두 배터리 모듈(100)의 개구부(174, 175)를 모두 덮을 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7을 참고하면, 복수의 배터리 모듈(100)이 수용된 배터리 팩(10')에 있어서, 각각의 배터리 모듈(100)의 단자부(121) 및 센싱 유닛(122)은 팩 하우징(200)의 가운데 위치한 크로스 프레임(220)에 인접하도록 정렬될 수 있다. 여기서, 어느 하나의 차폐 부재(240)는 제2 방향(X축 방향)으로 이격 배치된 두 배터리 모듈(100)의 사이에 배치되어 두 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)에 각각 결합될 수 있다. 이에 따라 하나의 차폐 부재(240)가 두 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)의 개구부(174, 175)를 모두 커버할 수 있다.
다만, 도 7 내지 도 9에 도시된 차폐 부재(240)의 형상은 예시이며, 차폐 부재(240)의 구체적인 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 8과는 달리, 차폐 부재(240)는 각각의 배터리 모듈(100)에 대응되도록 구성되어, 어느 한 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170)에만 결합될 수도 있다. 즉, 차폐 부재(240)는 상부 커버(170)에 결합되어 상부 커버(170)의 개구부(174, 175)를 덮을 수 있는 구조라면 어떠한 구조도 가질 수 있다.
한편, 도면에 나타나지는 않으나, 각각의 배터리 모듈(100)에 장착된 센싱 유닛(122)을 전기적으로 연결하는 센싱 연결 라인(미도시)은 차폐 부재(240)와 플랜지부(172) 사이에서 제1 방향(Y축 방향)으로 연장될 수 있다.
차폐 부재(240)가 배치됨에 따라, 어느 한 수용 공간(S1, S2)에서 발생된 가스나 화염이 상부 커버(170)와 크로스 프레임(220) 사이를 빠져나와 인접한 수용 공간(S1, S2)으로 넘어 가는 것을 더욱 확실하게 차단할 수 있다.
이에 따라, 도 9에 도시된 것과 같이, 배터리 모듈(100)이 수용된 어느 한 수용 공간(S1, S2)에서 발생된 가스나 화염은 배터리 모듈(100)의 상부 커버(170) 및 차폐 부재(240)에 의해 차단되어 인접한 다른 수용 공간(S1, S2)으로 전파되지 않을 수 있다.
이상과 같이, 배터리 모듈(100)은 팩 하우징(200)과 결합되는 상부 커버(170) 및 상부 커버(170)와 결합되는 차폐 부재(240)를 포함하여, 어느 한 배터리 모듈(100)에서 발생된 가스나 화염이 인접한 다른 배터리 모듈(100)로 전파되는 것을 차단할 수 있다.
따라서, 배터리 모듈(100)에서 배출되는 가스나 화염은 팩 하우징(200)에 마련된 벤팅 유로(V1)를 따라 유동하여 안전하게 팩 하우징(200) 외부로 배출될 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.
10... 배터리 팩 100... 배터리 모듈
110... 셀 적층체 111... 배터리 셀
120... 버스바 어셈블리 130... 사이드 커버
160... 엔드 커버 170... 상부 커버
171... 바디부 172... 플랜지부
173... 단차부 200... 팩 하우징
210... 하부 프레임 220... 크로스 프레임
230... 상부 프레임 240... 차폐 부재
S1, S2... 수용 공간

Claims (18)

  1. 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈이 수용되는 내부 공간을 갖는 팩 하우징을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은
    복수의 배터리 셀을 포함하는 셀 적층체; 및
    상기 셀 적층체의 상면을 덮으며, 상기 팩 하우징에 결합되는 상부 커버를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 커버는
    상기 셀 적층체와 대면하는 바디부; 및
    상기 바디부와 연결되며 상기 팩 하우징에 결합되는 플랜지부를 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 바디부와 상기 플랜지부의 사이에 단차가 형성된 배터리 팩.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀은 제1 방향으로 적층되어 배치되며,
    상기 플랜지부는 상기 바디부의 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향의 단부에 연결되는 배터리 팩.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 팩 하우징은
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈이 안착되는 하부 프레임;
    상기 상부 커버의 상부에 배치되어 상기 내부 공간을 덮는 상부 프레임; 및
    상기 하부 프레임과 상기 상부 프레임 사이에 배치되며, 벤팅 유로가 형성되는 크로스 프레임을 포함하는 배터리 팩.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 플랜지부는 상기 크로스 프레임에 결합되는 배터리 팩.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 셀 적층체는 상기 복수의 배터리 셀의 하부가 노출된 상태로 상기 하부 프레임에 대향하는 배터리 팩.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은
    상기 셀 적층체와 전기적으로 연결되며, 단자부가 배치되는 버스바 어셈블리; 및
    상기 버스바 어셈블리와 대향하며, 벤팅 홀이 배치되는 사이드 커버를 더 포함하며,
    상기 벤팅 홀은 상기 셀 적층체에서 발생된 가스가 배출될 수 있도록 구성된 배터리 팩.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 벤팅 홀은 상기 크로스 프레임과 대향하는 배터리 팩.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은 상기 버스바 어셈블리에 배치되는 센싱 유닛을 더 포함하며,
    상기 상부 커버는 상기 단자부 및 상기 센싱 유닛이 노출되는 개구부를 더 포함하는 배터리 팩.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 플랜지부의 상부에 결합되어 상기 개구부를 덮는 차폐 부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 차폐 부재 및 상기 플랜지부를 관통하여 상기 크로스 프레임에 체결되는 체결 부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은
    상기 셀 적층체의 적어도 일측에 대면하는 엔드 커버를 더 포함하며,
    상기 사이드 커버는 상기 엔드 커버의 단부에 결합되는 배터리 팩.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 상부 커버는 상기 엔드 커버 및 상기 사이드 커버에 각각 결합되는 배터리 팩.
  15. 복수의 수용 공간을 갖는 팩 하우징;
    상기 복수의 수용 공간에 각각 수용되며, 제1 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 셀 적층체;
    상기 복수의 수용 공간 중 적어도 하나를 덮는 상부 커버를 포함하며,
    상기 팩 하우징은
    상기 복수의 셀 적층체가 안착되는 하부 프레임; 및
    상기 하부 프레임과 연결되며, 상기 복수의 수용 공간 사이에 배치되는 크로스 프레임을 포함하며,
    상기 상부 커버는 상기 크로스 프레임에 결합되는 배터리 팩.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 상부 커버는 상기 복수의 셀 적층체의 수량에 대응하여 복수 개로 마련되는 배터리 팩.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 셀 적층체와 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리;
    상기 버스바 어셈블리와 대향하는 사이드 커버; 및
    상기 셀 적층체와 상기 제1 방향으로 대향하는 엔드 커버를 더 포함하며,
    상기 사이드 커버 및 엔드 커버는 상기 상부 커버와 결합되는 배터리 팩.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 사이드 커버는 상기 셀 적층체에서 발생된 가스가 배출될 수 있는 벤팅 홀을 더 포함하며,
    상기 벤팅 홀은 상기 크로스 프레임의 적어도 일면을 따라 형성되는 벤팅 유로와 연통되는 배터리 팩.
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