KR20240012267A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 복수의 셀 유닛을 포함하는 배터리 어셈블리; 및 상기 배터리 어셈블리를 내부 공간에 수용하는 팩 케이스를 포함하고, 각각의 셀 유닛은 적어도 하나의 배터리 셀과, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 외부를 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버를 포함하고, 상기 셀 커버와 배터리 셀 사이에 벤팅 공간이 구비된다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{Battery pack and vehicle including same}
본 발명은 배터리 팩 및 자동차에 관한 것으로서, 더 상세하게는 셀투팩(Cell To Pack) 방식으로 제조되는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등과 같이 반복적 충·방전이 가능한 배터리를 말한다. 이러한 이차 전지의 충·방전 기본 단위에 해당하는 배터리 셀의 출력 전압은 대략 2.5V에서 4.2V 정도이다.
최근, 이차 전지가 전기 자동차(electric vehicle)이나 ESS(Energy Storage System) 등과 같이 높은 출력 전압과 대량의 충전 용량을 요구하는 장치들에 적용되면서, 복수의 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성하고, 이와 같이 구성된 다수의 배터리 모듈들을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하는 방식으로 제조되는 배터리 팩이 널리 사용되고 있다.
그러나, 한국 등록특허공보 제10-2379227호, 한국 공개특허공보 제10-2022-0052183호 등에 개시된 바와 같이, 기존 기술은 배터리 셀들을 박스 형태의 금속 케이스에 수용하여 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈들을 다시 배터리 팩 케이스에 수용하는 방식으로 배터리 팩을 제조하기 때문에, 전체 배터리 팩의 무게와 부피를 증가시키고 배터리 팩의 에너지 밀도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
또한, 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이기 위해, 다수의 배터리 셀들을 배터리 팩의 팩 케이스에 바로 장착하는 기존의 셀투팩 방식이 연질 케이스를 가진 파우치형 배터리 셀에 적용되는 경우, 다수의 배터리 셀을 동시에 취급하거나 적층하기 어렵고, 배터리 셀들을 팩 케이스에 장착되는 과정에서 배터리 셀들의 손상이 발생할 위험이 있다.
최근 전기 자동차 등에 적용되는 배터리 팩의 수요가 증가하고 있다. 이러한 배터리 팩은 복수의 배터리 셀을 구비하고 있어 안전성이 더욱 엄격하게 관리되어야 한다. 어느 하나의 배터리 모듈 내에서 일부 셀에 열폭주(thermal runaway)나, 발화, 폭발 등이 발생할 경우, 생성된 고열의 가스, 화염, 또는 고온의 내부 물질이 분사되어 인접한 다른 배터리 모듈로 전파(propagation)됨에 따라 2차 열폭주, 2차 화재나 폭발 등이 일어나는 경우가 있어, 복수의 배터리 모듈 내의 셀들이 연쇄적으로 열폭주, 발화, 또는 폭발이 유발될 우려가 있다. 따라서, 열폭주와 같은 열적 이벤트(thermal event) 발생시 배터리 모듈간 화염 전이를 억제하거나 지연시킬 수 있는 수단이 매우 필요한 실정이다. 그런데 종래 배터리 팩의 경우, 열적 이벤트에 취약할 수 있다. 특히, 배터리 팩 내부에서 열적 이벤트가 발생한 경우, 열폭주가 일어나게 되어 화염이 발생되고 심한 경우 폭발이 발생할 수도 있어 개선이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 팩의 전체 무게와 부피를 경감시키고 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩 제조 과정에서, 배터리 셀들의 취급과 장착을 용이하게 하고, 배터리 셀들의 손상을 방지하면서도, 배터리 셀 장착에 요구되는 구조체들을 간소화 및 경량화하여 제조 비용을 절감하는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
나아가, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 열적 이벤트 발생 시 우수한 안전성을 확보할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
다만, 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 실시예에 따른 배터리 팩은 복수의 셀 유닛을 포함하는 배터리 어셈블리; 및 상기 배터리 어셈블리를 내부 공간에 수용하는 팩 케이스를 포함하고, 각각의 셀 유닛은 적어도 하나의 배터리 셀과, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 외부를 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버를 포함하고, 상기 셀 커버와 배터리 셀 사이에 벤팅 공간이 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 기립 상태로 지지하도록 구성될 수 있다.
상기 셀 커버는 감싸진 배터리 셀의 적어도 일측이 상기 팩 케이스를 향하여 노출되는 개방부를 형성하도록 상기 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 일체로 구성될 수 있다.
상기 셀 커버는 하나의 플레이트가 절곡된 형태로 구성된 것일 수 있다.
상기 셀 커버는 내측면에 절연 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 절연 코팅층은 실리콘 수지, 폴리 아미드(Polyamide) 및 고무 중 어느 하나의 절연성 소재를 코팅, 도포 또는 부착한 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 스테인리스 스틸(SUS)을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 배터리 팩은 상기 팩 케이스의 내부 공간에 수납되고 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하도록 구성된 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일 측면을 커버하는 제1 커버부; 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 타 측면을 커버하는 제2 커버부; 및 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부를 연결하며 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일측 에지부를 커버하는 제3 커버부를 포함할 수 있다.
상기 벤팅 공간이 상기 배터리 셀과 상기 제3 커버부 사이에 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 제1 커버부와 제2 커버부의 내측면에 접착되어 고정될 수 있다.
상기 제1 커버부의 단부 중 상기 제3 커버부와 연결되어 있지 않은 단부와 상기 제2 커버부의 단부 중 상기 제3 커버부와 연결되어 있지 않은 단부가 상기 배터리 셀의 일측이 상기 팩 케이스를 향하여 노출되는 개방부를 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 셀 커버의 제1 및 제2 커버부 사이에 배치되되, 상기 제3 커버부와의 사이에 소정 공간이 형성되도록 상기 제3 커버부와 이격되어 배치될 수 있다.
이때, 상기 셀 커버의 제1 및 제2 커버부의 상하 방향 길이는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상하 방향 길이보다 더 길 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 팩은 상기 셀 유닛과 열접촉하여 상기 셀 유닛을 냉각시키는 히트 싱크를 포함할 수 있다.
특히, 상기 셀 커버가 상기 히트 싱크와 접촉할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버의 양 단부는 상기 히트 싱크 측으로 연장되되, 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부 사이에 배치된 상기 적어도 하나의 배터리 셀과, 상기 히트 싱크 사이에 소정 공간이 형성되도록, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 단부보다 더 길게 연장될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 셀 커버의 양 단부가 삽입되어 고정되는 고정 홈을 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 커버부와 제2 커버부는 상기 개방부에 인접한 단부에 형성되며 상기 배터리 셀을 향한 내측으로 만입된 하측 비딩부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하측 비딩부는 상기 셀 커버의 길이 방향을 따라 연속되게 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 커버부의 하측 비딩부와 상기 제2 커버부의 하측 비딩부는 상기 셀 커버의 중앙을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다.
더욱이, 상기 제1 커버부와 제2 커버부는 상기 제3 커버부와 상기 배터리 셀 사이에 상기 배터리 셀을 향한 내측으로 만입된 상측 비딩부를 더 포함할 수 있다.
상기 상측 비딩부는 상기 셀 커버의 길이 방향을 따라 연속되게 구성될 수 있다.
상기 제1 커버부의 상측 비딩부와 상기 제2 커버부의 상측 비딩부는 상기 셀 커버의 중앙을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 제1 커버부와 제2 커버부는 상기 상측 비딩부와 하측비딩부를 모두 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자동차는 상술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 팩은 CTP 컨셉으로서, 모듈 케이스 등이 제거되어, 냉각 성능과 에너지 밀도 등이 향상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 배터리 셀들이 별도의 모듈 케이스에 수용되어 배터리 팩의 팩 케이스에 장착되는 것이 아니라, 간소화된 구조의 셀 커버에 의해 부분적으로만 커버되며 팩 케이스에 직접 장착됨으로써, 전체 배터리 팩의 무게와 부피를 감소시키고 배터리 팩의 에너지 밀도를 높이면서도, 다수의 배터리 셀들을 케이스에 직접 장착하고 사용하는 과정에서 발생하는 배터리 셀들의 손상을 방지하고, 배터리 셀의 스웰링(swelling) 제어와 가스 벤팅 경로의 설계를 용이하게 할 수 있다.
또한, 배터리 셀들이 셀 커버의 내부면에 접착되어 고정되고, 이러한 배터리 셀들의 상방과 하방에 열교환과 가스 벤팅이 가능한 공간이 형성됨으로써, 배터리 셀의 효율적 냉각과 디렉셔널 벤팅(Directional Venting)을 가능하게 하고, LFP 파우치 셀과 같이 안전성 향상된 셀이 적용될 경우 써멀 레진(thermal resin)을 생략할 수 있게 되어 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 셀 커버가 히트 싱크의 고정 홈에 삽입되는 방식으로 고정되어 히트 싱크로 배터리 셀의 열을 전달하는 냉각 핀의 역할을 수행함으로써, 배터리 팩 제조 공정을 간소화 및 효율화하면서도, 배터리 셀 냉각 성능을 더욱 개선할 수 있다.
또한, 각각 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 셀 유닛들이, 한 쌍의 사이드 플레이트와 통합형 엔드 커버에 블록화되어 고정됨으로써, 배터리 팩에 장착되는 배터리 셀들의 취급과 장착을 용이하게 하면서도, 배터리 셀 장착에 요구되는 구조체들을 간소화 및 경량화하고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 셀 커버의 비딩부를 통해 셀 커버와 배터리 셀간의 조립 공정성이 향상될 수 있고, 셀 유닛들간에 공기층이 형성되어 셀 유닛들간에 열전달율이 감소될 수 있다.
또한, 배터리 셀들의 스웰링시 셀 커버의 비딩부의 탄성 변형을 통해 배터리 셀들을 압박함으로써 배터리 셀들의 스웰링량을 최소화시키는 데에도 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함될 수 있는 배터리 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 어셈블리를 나타낸 부분 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 표시된 P1 영역의 저면 부분 확대도이다.
도 5는 도 2에 도시된 배터리 어셈블리에 포함될 수 있는 셀 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 셀 유닛을 나타낸 분해 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 셀 유닛의 셀 커버를 나타낸 사시도이다.
도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 셀 커버를 적용한 셀 유닛의 장착 방식을 나타낸 도면들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 주요 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 유닛의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 유닛의 개략적인 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 일 부분 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 도 12에 대응하는 도면으로, 도 12의 셀 유닛의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 15는 도 12에 대응하는 도면으로, 도 12의 셀 유닛의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대응하는 해결 방안을 명확히 하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우에는 그에 관한 설명은 생략될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
참고로, 본 명세서에 있어서, 방향을 지시하는 용어들은 첨부도면에 나타난 구성요소들을 기준으로 하는 용어들이며, 실제 구성요소들의 자세나 위치에 따라 변경될 수 있는 상대적인 용어들이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(10)은 적어도 하나의 배터리 어셈블리(100) 및 팩 케이스(12)를 포함할 수 있다.
배터리 어셈블리(100)는 복수의 셀 유닛(110)을 포함할 수 있다. 셀 유닛(110)은 예를 들어 Y축 방향을 따라 복수로 배열될 수 있다. 이러한 셀 유닛(110)을 포함하는 배터리 어셈블리(100)는 팩 케이스(12) 안에 X축 방향 및 Y축 방향을 따라 복수로 배열될 수 있다.
팩 케이스(12)는 배터리 어셈블리(100)를 내부 공간에 수용한다. 팩 케이스(12)는 배터리 어셈블리(100)가 별도의 케이스 없이 직접 안착되는 안착 구조를 가지며, 복수의 배터리 어셈블리(100)를 배터리 어셈블리별로 별도의 안착 공간에 수용하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 팩 케이스(12)는 그 내부 공간을 복수의 안착 공간으로 분할하는 크로스 빔들(12a, 12b)을 포함할 수 있다. 이러한, 크로스 빔들(12a, 12b)은 상호 이격되도록 배치되거나 교차되도록 배치되어 상기 복수의 안착 공간을 형성하도록 구성될 수 있다.
팩 케이스(12)는 플라스틱 또는 금속 재질을 구비할 수 있다. 그 밖에도, 팩 케이스(12)는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩의 외장재 재질을 채용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함될 수 있는 배터리 어셈블리를 나타낸 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 배터리 어셈블리를 나타낸 부분 분해 사시도이다. 도 4에는 도 2에 표시된 P1 영역의 저면 부분이 확대도로 도시되어 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 배터리 어셈블리(100)는 복수의 셀 유닛(110), 한 쌍의 사이드 플레이트(120) 및 한 쌍의 통합형 엔드 커버(130)를 포함하며, 실시예에 따라서는 핸들 유닛(140)을 더 포함할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 배터리 어셈블리에 포함될 수 있는 셀 유닛을 나타낸 사시도이다. 도 6은 도 5에 도시된 셀 유닛을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 셀 유닛(110)은 각각 적어도 하나의 배터리 셀(105)과, 이러한 배터리 셀(105)의 외부를 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버(150)를 포함할 수 있다. 셀 유닛(110)은 적어도 하나의 배터리 셀(105)과 셀 커버(150) 이외에도, 버스바 프레임(170) 및 절연 커버(180)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 배터리 셀(105)은 파우치형 배터리 셀이다. 배터리 셀(105)은 충전 및 방전의 기본 단위가 되며, 셀 커버(150)는 적어도 하나의 배터리 셀(105)을 부분적으로만 커버하며 지지하는 것일 수 있다. 또한, 셀 커버(150)와 배터리 셀(105) 사이에 벤팅 공간이 구비되도록 함이 특징이며, 이에 대해서는 나중에 상세히 설명하기로 한다.
배터리 셀(105)은 충·방전의 기본 단위에 해당하는 것으로서, 연질의 금속을 포함하는 라미네이트 필름으로 된 파우치 외장재 내부에 전극 조립체와 전해질 물질을 수납하고 상기 파우치 외장재를 실링하는 방식으로 제조될 수 있다. 이 경우, 전극 조립체는 양극 전극과 음극 전극 사이에 분리막을 개재시키는 방식으로 제조될 수 있다. 또한, 배터리 셀(105)의 파우치 외장재 외부에는 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극 리드(107)가 노출되도록 마련될 수 있다. 전극 리드(107)는 양극 리드와 음극 리드를 한 쌍으로 포함한다. 여기서 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는 배터리 셀(105)의 길이 방향에 전후방 양단부에 구비될 수 있다.
배터리 셀(105)은 상부측 모서리, 하부측 모서리, 전방측 모서리 및 후방측 모서리와 같이 4개의 에지부를 가질 수 있으며, 4개의 에지부 중 모두 실링부이거나, 하부측 모서리만 파우치 외장재가 접혀진 부분이고 미실링부일 수 있다. 예를 들어, 상부측 에지부는 배터리 셀(105)의 실링부로서 두 번 접혀진, 이른바 DSF(Double Side Folding)된 부분일 수 있고, 하부측 에지부는 미실링부일 수 있다.
셀 커버(150)에는 의도된 벤팅 방향에 따라 다양한 위치에 마련되는 벤팅 홀(160, venting hole)을 구비할 수 있다. 이러한 벤팅 홀(160)은 셀 커버(150)의 소정 부분에 노치를 형성하는 방식으로 마련될 수 있다.
셀 커버(150)를 포함하는 배터리 팩(10)에 의하면, 플라스틱 카트리지와 같은 적층용 프레임이나 별도의 모듈 케이스 등의 구성이 없이도, 복수의 배터리 셀(105)을 팩 케이스(12) 내부에 안정적으로 수납할 수 있다.
버스바 프레임(170)은 셀 커버(150)에 의해 커버되는 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 전극 리드(107)를 지지하며, 이러한 전극 리드(107)를 다른 배터리 셀(105)의 전극 리드(107)와 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 버스바 프레임(170)은 전극 리드(107)와 전기적으로 연결되는 단자를 구비할 수 있다.
절연 커버(180)는 전극 리드(107) 또는 버스바 단락을 방지하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 절연 커버(180)는 절연성을 가진 고분자 합성수지로 구성될 수 있다.
도 2 내지 도 6을 함께 참조하면, 이러한 셀 유닛(110)은 복수 개가 그 폭 방향(도면에서 Y축 방향)으로 나란히 적층되도록 구성될 수 있다. 한 쌍의 사이드 플레이트(120)는 복수의 셀 유닛(110)의 폭 방향(적층 방향) 양 단에 각각 배치되어, 복수의 셀 유닛(110)을 지지하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 한 쌍의 사이드 플레이트(120) 중 적어도 하나의 사이드 플레이트는 지지부(122), 엔드 커버 결합부(124) 및 핸들 결합부(126)를 포함할 수 있다.
지지부(122)는 복수의 셀 유닛(110)의 폭 방향 일 측면 또는 타 측면에 접촉하여, 복수의 셀 유닛(110)을 지지하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 지지부(122)는 판 구조로 구성될 수 있다.
엔드 커버 결합부(124)는 지지부(122)에서 그 사이드 방향(도면에서 X축 방향)으로 연장되어 통합형 엔드 커버(130)의 사이드 방향 일 단부와 결합하도록 구성될 수 있다.
핸들 결합부(126)는 지지부(122)에서 상방(도면에서 Z축 방향)으로 연장되어 복수의 핸들 유닛(140) 중 적어도 하나의 핸들 유닛(140)과 결합하도록 구성될 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 핸들 결합부(126)는 적어도 하나의 핸들 유닛(140)과의 결합과 분리가 가능하도록 구성될 수 있다.
이러한 한 쌍의 사이드 플레이트(120)는 통합형 엔드 커버(130)와 함께 복수의 셀 유닛(110)을 블록화 또는 그룹화하면서, 복수의 셀 유닛(110)에 가해지는 압력을 셀 유닛(110) 전체에 균등하게 분배할 수 있다. 또한, 한 쌍의 사이드 플레이트(120)는 알루미늄을 포함하는 금속 소재로 구성되거나, 인서트 몰딩(insert molding)을 통해 알루미늄과 고분자 합성수지를 조합한 소재로 구성될 수 있다.
한 쌍의 통합형 엔드 커버(130)는 복수의 셀 유닛(110)의 길이 방향(도면에서 X축 방향) 양 단에 각각 배치되어 복수의 셀 유닛(110)을 지지하며, 복수의 셀 유닛(110)에 포함된 배터리 셀(105)들의 단자 부분들을 일체로 커버하도록 구성될 수 있다.
즉, 각각의 통합형 엔드 커버(130)는 그 사이드 방향의 일 단이 한 쌍의 사이드 플레이트(120) 중 하나인 제1 사이드 플레이트에 결합되고, 그 사이드 방향의 타 단이 한 쌍의 사이드 플레이트(120) 중 다른 하나인 제2 사이드 플레이트에 결합되어, 복수의 셀 유닛(110)에 포함된 배터리 셀(105)들의 단자 부분들을 일체로 커버하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 통합형 엔드 커버(130)는 복수의 셀 유닛(110)에 각각 대응하는 위치마다 벤트 홀(132a)을 구비할 수 있다. 이러한 통합형 엔드 커버(130)는 알루미늄을 포함하는 금속 소재 또는 고분자 합성수지로 구성되거나, 인서트 몰딩을 통해 알루미늄을 포함하는 금속 소재와 고분자 합성수지를 조합한 소재로 구성될 수 있다.
배터리 어셈블리(100)는 이러한 통합형 엔드 커버(130)가 적용됨으로써, 셀 유닛(110)별로 적용되어 해당 셀 유닛(110)에 포함된 배터리 셀(105)의 단자 또는 버스바 부분을 커버하는 개별 엔드 커버들을 생략할 수 있으며, 제조 공정을 간소화할 수 있다.
핸들 유닛(140)은 배터리 어셈블리(100)를 운반하는 운반자에 의해 파지되거나 배터리 어셈블리(100)를 리프팅 또는 이송하는 소정 이송 장치와 연결되도록 구성될 수 있다.
이러한 핸들 유닛(140)은 한 쌍의 사이드 플레이트(120)에 분리 가능하게 결합되도록 구성될 수 있다. 또한, 핸들 유닛(140)은 소정 강도를 가진 금속 소재, 고분자 합성수지, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
상술한 배터리 어셈블리(100)는 적층되는 셀 유닛(110)의 개수를 증가시키는 방식으로 스케일의 확장이 가능하다.
도 3에 상세히 나타낸 바와 같이, 배터리 어셈블리(100)의 한 쌍의 사이드 플레이트(120)와 한 쌍의 통합형 엔드 커버(130)는 상호 결합하여 복수의 셀 유닛(110)을 블록화 내지 그룹화할 수 있다. 이를 위해, 통합형 엔드 커버(130)는 단자 커버부(132), 제1 결합부(134a) 및 제2 결합부(134b)를 포함할 수 있다.
단자 커버부(132)는 복수의 셀 유닛(110)에 포함된 배터리 셀(105)들의 단자 부분들(전극 리드 부분들)을 일체로 커버하도록 구성될 수 있다. 이러한 단자 커버부(132)는 각각의 셀 유닛(110)에 대응하는 위치마다 벤트 홀(132a)을 구비할 수 있다.
제1 결합부(134a)는 단자 커버부(132)에서 제1 사이드 플레이트(120a) 측으로 연장되어 제1 사이드 플레이트(120a)의 엔드 커버 결합부(124)와 결합되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 결합부(134a)와 엔드 커버 결합부(124)는 볼트나 리벳 등과 같은 체결 부재에 의해 결합될 수 있다.
제2 결합부(134b)는 단자 커버부(132)에서 제2 사이드 플레이트(120b) 측으로 연장되어 제2 사이드 플레이트(120b)의 엔드 커버 결합부(124)와 결합되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 결합부(134b)와 엔드 커버 결합부(124)는 볼트나 리벳 등과 같은 체결 부재에 의해 결합될 수 있다.
한편, 핸들 유닛(140)은 대응하는 사이드 플레이트(120)의 핸들 결합부(126)에, 결합과 분리가 가능한 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 통합형 엔드 커버(130)의 제1 결합부(134a)는 제1 사이드 플레이트(120a)의 엔드 커버 결합부(124)와 체결 부재(B)를 통해 결합될 수 있다.
또한, 통합형 엔드 커버(130)는 셀 유닛 지지부(136)를 포함할 수 있다. 셀 유닛 지지부(136)는 벤팅 홀(132a)이 마련된 단자 커버부(132)에서 복수의 셀 유닛(110)의 저면으로 연장되어 복수의 셀 유닛(110)을 지지하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 셀 유닛 지지부(136)는 복수의 셀 유닛(110)에 구비된 버스바 프레임(170)들의 하단을 지지하도록 구성될 수 있다.
이처럼, 각각 적어도 하나의 배터리 셀(105)을 포함하는 셀 유닛(110)들이, 한 쌍의 사이드 플레이트(120)와 통합형 엔드 커버(130)에 블록화되어 고정됨으로써, 배터리 팩(10)에 장착되는 배터리 셀(105)들의 취급과 장착을 용이하게 하면서도, 배터리 셀(105) 장착에 요구되는 구조체들을 간소화 및 경량화하고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
이상 설명한 배터리 팩(10)에 따르면, 셀 커버(150)를 포함하는 일 실시 구성에 의해 복수의 배터리 셀(105)을 상하 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향으로 나란하게 적층시키는 구성이 용이하게 구현될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀(105)을 모듈화하지 않고 팩 케이스(12)에 직접 수납하므로, 배터리 모듈의 모듈 케이스 등이 불필요한 배터리 팩(10)을 제조할 수 있다. 따라서, 이러한 모듈 케이스가 차지하는 공간을 줄여, 팩 케이스(12) 내부에 더욱 더 많은 배터리 셀(105)이 배치될 수 있다. 그러므로 배터리 팩(10)의 에너지 밀도가 더욱 향상되는 효과가 있다. 특히, 파우치형 배터리 셀과 같이 연질 케이스를 갖는 배터리 셀(105)들을 배터리 팩(10)의 팩 케이스(12)에 직접 조립함으로써 배터리 팩(10)의 공간 활용률을 극대화하고 에너지 용량을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리 셀(105)들을 셀 커버(150)로 감쌈으로써, 배터리 셀(105)들을 쉽게 견고한 형태로 만들어, 팩 케이스(12) 내부에서 직접 적층되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10)의 조립성과 기계적 안정성 등이 향상될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 셀 유닛의 셀 커버를 나타낸 사시도이다. 이하에서, 도 5 내지 도 7을 참조하여 셀 유닛(110) 및 셀 커버(150)를 더욱 상세 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 셀 유닛(110)은 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 외부를 부분적으로 커버하는 셀 커버(150)를 포함할 수 있다.
셀 커버(150)는 적어도 하나의 배터리 셀(105) 외부를 부분적으로 감싸도록 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(150)는 배터리 팩(10)에 포함된 복수의 배터리 셀(105)들 중, 적어도 일부 배터리 셀(105)을 감싸도록 구성될 수 있다. 더욱이, 셀 커버(150)는 배터리 셀(105)을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련될 수 있다. 또한, 셀 커버(150)는 적어도 하나의 배터리 셀(105)을 기립 상태로 지지하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 6에서와 같이, 셀 커버(150)는 3개의 배터리 셀(105)의 외부를 부분적으로 감싸면서 해당 배터리 셀(105)들을 기립 상태로 지지하도록 구성될 수 있다.
각각의 배터리 셀(105)은 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 넓은 표면을 가지며, 배터리 셀(105)이 파우치형 배터리 셀인 경우 이러한 넓은 표면의 모서리 부분은 파우치 외장재의 실링부나 접혀진 부분이 존재할 수 있다. 따라서, 파우치형 배터리 셀은 일반적으로 좁은 표면을 아래로 하여 상하 방향으로 세워진 형태로 적층시키는 것이 어렵다. 하지만, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)에서, 셀 커버(150)는 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(105)을 감싸면서, 감싸진 배터리 셀(105)의 세워진 상태, 즉 기립 상태를 지지하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 셀 커버(150)는 도 7에 상세히 나타낸 바와 같이, 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 일 측면을 커버하는 제1 커버부(152)와, 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 타 측면을 커버하는 제2 커버부(154)와, 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 연결하며 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 상측 에지부를 커버하는 제3 커버부(156)를 포함할 수 있다. 이 경우, 벤팅 홀(160)은 셀 커버(150)의 제3 커버부(156)에 마련될 수 있다.
예컨대, 셀 커버(150)는 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 3면을 둘러싸는 'ㄷ'자 형태 또는 'u'자 형태 또는 'n'자 형태로 구성될 수 있다. 셀 커버(150)는 복수의 배터리 셀(105)이 상하 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향으로 적층될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 배터리 팩(10)의 실시 구성과 같이, 복수의 셀 유닛(110)은 수평 방향(Y축 방향)으로 상호 적층되고, 각각의 셀 커버(150)는 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(105)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(150)에 의해, 복수의 배터리 셀(105)이 각각 세워진 상태에서 수평 방향으로 나란하게 적층된 구성이 안정적으로 유지될 수 있다.
또한, 셀 커버(150)는 적어도 하나의 배터리 셀(105)의 3면을 둘러싸도록 함으로써, 각각의 셀 유닛(110)에 대하여, 버스바나 각 유닛의 단자를, 각 셀 커버(150)로 감싸지지 않는 측면에 위치시키는 구성이 쉽게 구현될 수 있다.
파우치형 배터리 셀과 같은 배터리 셀(105)은 대략 6면체로 형성된다고 할 수도 있다. 그리고, 6면 중 2개의 면에 전극 리드(107), 즉 음극 리드와 양극 리드가 각각 형성될 수 있다. 그리고, 셀 커버(150)는 6면의 배터리 셀(105)에서 전극 리드(107)가 형성된 2면을 제외한 나머지 4면 중 3면의 적어도 일부를 감싸도록 마련된다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)의 노출된 측면(전극 리드(107)가 형성된 부분)으로 화염 등의 배출 방향을 유도할 수 있다. 예를 들어, 상기 실시 구성에 의하면, 전극 리드(107)가 위치하는 셀 커버(150)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(150)가 구성된 경우, 배터리 셀(105)의 길이 방향을 따라 사이드 디렉셔널 벤팅이 용이하게 구현될 수 있다. 또는 셀 커버(150)의 하단이나 상단이 개방된 형태로 구성된 경우, 셀 커버(150)의 하단 또는 상단의 개방된 측면(개방단)을 향해 디렉셔널 벤팅이 이루어질 수도 있다.
파우치형 배터리 셀에서 실링부로서 상부측 에지부는 미실링부인 하부측 에지부보다 상대적으로 고온의 가스나 화염의 배출에 더 취약할 수 있다. 그런데, 상기 실시예에 의하면, 실링부인 상부측 에지부가 셀 커버(150)를 마주하도록 배치되어 디렉셔널 벤팅에 보다 유리할 수 있다.
도시한 예에서, 제3 커버부(156)는 내부에 수용된 배터리 셀(105)의 상부측 에지부의 상부를 감싸도록 구성될 수 있다.
제1 커버부(152)는 제3 커버부(156)의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 커버부(152)는 제3 커버부(156)의 좌측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 제1 커버부(152)는 내부에 수용된 배터리 셀(105)의 넓은 면을 감싸도록 구성될 수 있다.
제2 커버부(154)는 제1 커버부(152)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 그리고, 제2 커버부(154)는 제3 커버부(156)의 타단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 커버부(154)는 제3 커버부(156)의 우측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 그리고 제2 커버부(154)는 내부에 수용된 배터리 셀(105)의 넓은 면을 감싸도록 구성될 수 있다. 상기 실시 구성에서, 제3 커버부(156), 제1 커버부(152) 및 제2 커버부(154)에 의해 내부 공간이 한정될 수 있다. 그리고, 셀 커버(150)는 이와 같이 한정된 내부 공간에 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(105)을 수용할 수 있다.
도시한 예에서, 셀 커버(150)는 감싸진 배터리 셀(105)의 적어도 일측, 특히 하측이 팩 케이스(12)를 향하여 노출되는 개방부를 형성하도록 배터리 셀(105)을 부분적으로 감싸고 있다. 이러한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 팩(10)의 냉각 효율이 보다 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성의 경우, 각 배터리 셀(105)의 일부가 팩 케이스(12)에 직접 노출될 수 있으므로, 각 배터리 셀(105)의 열이 팩 케이스(12)를 통해 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 하나의 셀 커버(150)로서, 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(105)들을 지지하고 보호하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 상기 실시예에 의하면, 배터리 셀(105)의 하부측 에지부는 셀 커버(150)의 개방단에 인접하게 위치하여, 셀 커버(150)에 의해 감싸지지 않고 팩 케이스(12)를 마주보고, 팩 케이스(12)와 직접 대면 접촉될 수 있다. 따라서, 셀 커버(150)에 의해 감싸진 배터리 셀(105)의 열이 하부의 팩 케이스(12) 측으로 신속하고 원활하게 배출될 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10)의 냉각 성능이 보다 효과적으로 확보될 수 있다.
특히, 이와 같은 구성은 팩 케이스(12)의 하부에서 냉각이 주로 이루어지는 경우, 보다 효과적으로 실시될 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 장착되는 배터리 팩의 경우, 차체의 하부에 장착되므로, 팩 케이스(12)의 하부에서 주로 냉각이 이루어질 수 있다. 이때, 상기 실시예와 같이, 각 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 팩 케이스(12)에 대면 접촉되는 경우, 각 배터리 셀(105)로부터 팩 케이스(12) 측으로 열이 신속하게 전달되어, 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 실시 구성에 의하면, 열폭주 등의 상황에서 배터리 셀(105)로부터 고온의 가스나 화염 등이 배출되는 경우, 배출된 가스나 화염이 상부 측으로 향하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 특히, 전기 자동차 등과 같이, 배터리 팩(10)의 상부 측에 탑승자가 위치하는 경우, 상기 실시 구성에 의하면, 가스나 화염 등이 탑승자 측으로 향하는 것을 억제하거나 지연시킬 수 있다.
셀 커버(150)는 일체로 구성될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(150)는 판 구조의 금속 플레이트를 절곡시키는 방식으로 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(150)는 하나의 플레이트가 절곡된 형태로 구성된 것일 수 있다.
셀 커버(150)는 하나의 판재에 대하여 양 단부를 동일한 방향으로 벤딩시킴으로써 하나 이상의 배터리 셀(105)을 감쌀 수 있는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 하나의 셀 커버(150)에 제1 커버부(152), 제2 커버부(154) 및 제3 커버부(156)가 구비된 경우, 제1 커버부(152), 제2 커버부(154) 및 제3 커버부(156)는 하나의 플레이트로 이루어질 수 있다. 이 경우, 셀 커버(150)는 여러 구성요소가 일체형으로 제작되어 있다고 할 수 있다.
여기서, 각각의 구성요소는 절곡부를 통해 구분될 수 있다. 특히, 하나의 플레이트에서 절곡부는 2개 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 2개의 절곡부를 기준으로, 제1 커버부(152), 제2 커버부(154) 및 제3 커버부(156)가 구분될 수 있다. 특히, 하나의 플레이트에서 중앙 부분이 제3 커버부(156)를 형성하고, 그러한 제3 커버부(156)를 중심으로 양측이 하부 방향으로 벤딩 내지 폴딩됨으로써, 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)가 형성될 수 있다. 이와 같이, 셀 커버(150)를 형성하기 위해 하나의 플레이트에 절곡부를 형성하는 구성은 프레스(press) 또는 롤 포밍(roll forming)과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)의 제조가 보다 간단해질 수 있다. 또한, 간소화된 구조의 셀 커버(150)는 파우치 외장재와 같은 배터리 셀(105)의 케이스보다 높은 강성을 가진 금속 재질로 구성되어, 셀 커버(150)에 의해 커버되는 적어도 하나의 배터리 셀(105)을 외부 충격이나 진동으로부터 보호할 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우, 셀 커버(150)를 통한 열전도 성능이 보다 향상되어, 냉각 성능이 더욱 개선될 수 있다.
예컨대, 셀 커버(150)는 가공이 용이하고 내식성이 높은 스테인리스 스틸(SUS)을 포함하는 소재로 구성될 수 있다. 셀 커버(150)는 강성 확보를 위해, SUS 이외의 다양한 재질로 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(150)는 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어 크롬(CR) 계열의 금속 재질로 구성될 수 있다. 이러한 금속 재질의 경우, 배터리 셀(105)들의 적층 상태를 보다 안정적으로 유지하며, 외부 충격으로부터 배터리 셀(105)들을 보다 안전하게 보호할 수 있다. 또한, 예로 든 바와 같이 셀 커버(150)가 SUS와 같은 스틸 재질로 이루어지는 경우, 높은 용융점으로 인해, 배터리 셀(105)로부터 화염 발생 시, 전체적인 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. 특히, 스틸 재질의 경우, 알루미늄 재질에 비해 녹는점이 높으므로, 배터리 셀(105)로부터 분출된 화염에도 용융되지 않고, 그 형태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(105) 간 화염 전파 방지 내지 지연 효과, 벤팅 제어 효과 등이 우수하게 확보될 수 있다.
셀 커버(150)는 내측면에 절연 코팅층을 포함할 수 있다. 상기 절연 코팅층은 실리콘 수지, 폴리 아미드(Polyamide) 및 고무 중 어느 하나의 절연성 소재를 코팅, 도포 또는 부착한 것일 수 있다. 이러한 본 실시예에 따른 셀 커버(150)의 절연 코팅층 구성에 의하면, 최소한의 코팅양으로 절연 코팅 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 절연 코팅층이 셀 커버(150)의 내측면에 적용되어 있어, 배터리 셀(105)과 셀 커버(150) 간의 절연성이 강화될 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시되지 않았으나, 셀 유닛(110)은 셀 커버(150)를 클램핑(clamping)하도록 구성된 클램핑 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 클램핑 부재는 적어도 하나의 배터리 셀(105)이 삽입된 셀 커버(150)를 클램핑하여, 셀 커버(150)의 양 단(제1 커버부(152)의 끝단과 제2 커버부(154) 끝단) 사이가 벌어지거나, 삽입된 배터리 셀(105)이 셀 커버(150)에서 이탈하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.
이러한 클램핑 부재는 테이프로 구성될 수 있으며, 탄성을 가진 금속 소재로 구성될 수도 있다. 특히, 테이프는 기재층과 기재층의 표면에 형성된 접착층을 구비할 수 있다.
상기 클램핑 부재는 셀 커버(150)에 의해 감싸지지 않은 배터리 셀(105)의 외측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(150)는 배터리 셀(105)의 하단부를 감싸지 않고 외부로 노출시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 클램핑 부재는 배터리 셀(105)을 감싸지 않고 외부로 노출시킨 셀 커버(150)의 하단부에 부착될 수 있다.
상기 클램핑 부재는 하나의 셀 유닛(110)에서 다수 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 커버부(152)의 끝단과 제2 커버부(154) 끝단 사이를 결합시키기 위해, 3개의 클램핑 부재가 전후 방향(도면의 X축 방향)으로 이격되게 배치될 수 있다. 여기서, 전후 방향은 배터리 셀(105)의 적층 방향에 직교하는 수평 방향이라 할 수 있다.
상기 실시 구성에 의하면, 하나의 셀 유닛(110)에서 셀 커버(150)의 단부가 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 팩 케이스(12) 내부에서 셀 커버(150)와 배터리 셀(105)의 수납 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 특히, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)의 자립 구성이 안정적으로 유지될 수 있다.
한편, 도 6에는 하나의 셀 커버(150)에 의해 커버되는 배터리 셀(105)이 3개인 것으로 도시되어 있으나, 셀 커버(150)의 스케일에 따라 셀 커버(150)에 의해 커버되는 배터리 셀(105)의 개수는 3개보다 더 적게, 예를 들면 1개, 3개보다 더 많게, 예를 들면 5개 등, 다양하게 변경될 수 있다. 셀 커버(150)에 의해 감싸지는 배터리 셀(105)의 개수를 변경하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)의 폭(제3 커버부(156)의 Y축 방향을 따른 너비)을 변경함으로써, 셀 커버(150)에 의해 수용되는 단위 셀 개수를 쉽게 변경할 수 있다. 따라서, 이 경우, 하나의 셀 커버(150)에 의한 용량이나 출력에 대한 변경이 쉽게 이루어질 수 있다.
셀 커버(150)를 좀 더 상세히 살펴 보면, 셀 커버(150)는 적어도 하나의 배터리 셀(105)을 커버하며 지지할 수 있다. 이를 위해, 셀 커버(150)는 제1 커버부(152), 제2 커버부(154) 및 제3 커버부(156)를 포함할 수 있다.
셀 커버(150)가 하나의 배터리 셀(105)을 커버하는 경우, 제1 커버부(152)는 그 배터리 셀(105)의 일 측면을 커버할 수 있다. 제2 커버부(154)는 그 배터리 셀(105)의 타 측면을 커버할 수 있다. 제3 커버부(156)는 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 연결하며 그 배터리 셀(105)의 상측 에지부를 커버할 수 있다.
셀 커버(150)가 둘 이상의 배터리 셀(105)을 커버하는 경우, 제1 커버부(152)는 둘 이상의 배터리 셀(105) 중 좌측 최외측 배터리 셀(105)의 일 측면을 커버할 수 있다. 제2 커버부(154)는 둘 이상의 배터리 셀(105) 중 우측 최외측 배터리 셀(105)의 타 측면을 커버할 수 있다. 제3 커버부(156)는 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 연결하며 둘 이상의 배터리 셀(105)의 상측 에지부를 커버할 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 셀 커버(150)의 제1 및 제2 커버부(152. 154)의 상하 방향 길이(L1)는 배터리 셀(105)의 상하 방향 길이(L2)보다 더 길 수 있다. 제1 및 제2 커버부(152. 154)의 면적이 배터리 셀(105)의 면적보다 크게 구비되어 배터리 셀(105)의 보호 효과 및 안전성을 최대한 확보할 수 있다. 제1 및 제2 커버부(152. 154)의 상하 방향 길이(L1)는 서로 동일할 수 있다. 이 경우, 셀 커버(150)의 자립 구성이 보다 용이하게 달성될 수 있다.
특히, 셀 커버(150)는 도 7에 도시한 바와 같이, 양 측면의 높이가 배터리 셀(105)의 높이보다 m1만큼 더 높게 구성되거나 m1+m2만큼 더 높게 구성될 수 있다.
먼저, 적어도 하나의 배터리 셀(105)은 셀 커버(150)의 제1 및 제2 커버부(152, 154) 사이에 배치되되, 제3 커버부(156)와의 사이에 소정 공간이 형성되도록 제3 커버부(156)와 m1만큼 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 소정 공간이 앞서 언급한 벤팅 공간이 된다. 즉, 벤팅 공간이 배터리 셀(105)과 제3 커버부(156) 사이에 구비되도록 할 수 있다.
파우치형 배터리 셀은 가볍고 전해액의 누액(leakage) 가능성이 적으며 형태에 융통성을 가질 수 있어 보다 작은 부피 및 질량으로 같은 용량의 이차 전지를 구현할 수 있는 장점이 있는 한편, 과열이 될 경우 폭발 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 파우치형 배터리 셀의 과열은 여러 가지 원인에서 발생되는데, 그 중 하나가 파우치형 배터리 셀을 통해 한계 이상의 과전류(overcharge)가 흐르는 경우를 들 수 있다. 과전류가 흐르면 파우치형 배터리 셀이 주울열에 의해 발열을 하므로 배터리 셀 내부 온도가 급속하게 상승한다. 온도의 급속한 상승은 전해액의 분해 반응을 야기하여 가스가 발생될 수 있다. 이로 인한 파우치 외장재 내부의 압력 증가로 일종의 부풀음 현상인 스웰링 현상이 발생하여 이차 전지가 폭발하는 등 심각한 문제가 발생될 수 있다. 이러한 과전류뿐 아니라, 고온에의 노출, 외부에서의 충격 등에 의해 파우치형 배터리 셀 내부에서 가스가 발생하는 경우, 가스를 효과적으로 배출하여 이차 전지의 안전성을 확보할 필요가 있다. 이차 전지 내부에서 발생한 가스를 외부로 배출하는 것을 벤팅이라고 한다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(10)에 포함되는 셀 커버(150)는 배터리 셀(105)과 제3 커버부(156) 사이의 이격 공간으로 벤팅 가스가 배출 가능하도록 구성되어 있어, 이차 전지의 안전성을 확보할 수 있게 한다.
이 경우, 적어도 하나의 배터리 셀(105)은 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)의 내측면에 접착되어 고정될 수 있다. 접착을 위한 부재는 열전도성일 수 있다. 이러한 접착을 통하여 셀 커버(150)는 배터리 셀(105)에 견고하게 결합되며 배터리 셀(105)에서 발생되는 열을 배터리 셀(105) 외부로 배출하는 데에 도움이 될 수 있다. 또한, 배터리 셀(105)과 제3 커버부(156) 사이의 이격을 유지할 수 있어 벤팅 공간을 유지할 수 있게 한다.
또한, 셀 커버(150)의 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)는 이들 사이에 배치된 적어도 하나의 배터리 셀(105)보다 하방으로 m2만큼 더 길게 연장될 수 있다.
제1 커버부(152)의 단부 중 제3 커버부(156)와 연결되어 있지 않은 단부(C1)와 제2 커버부(154)의 단부 중 제3 커버부(156)와 연결되어 있지 않은 단부(C1)가 배터리 셀(105)의 하측이 팩 케이스(12)를 향하여 노출되는 개방부를 형성한다.
도 8 및 도 9에는 도 7에 도시된 셀 커버(150)를 구비한 셀 유닛(110)의 장착 방식이 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(10)은 셀 유닛(110)과 열접촉하여 셀 유닛(110)을 냉각시키는 히트 싱크(200)를 더 포함할 수 있다. 여기서 히트 싱크(200)는 직간접적인 열 접촉을 통해 다른 물체로부터 열을 흡수하고 발산하는 물체를 의미한다. 이러한 히트 싱크(200)는 도 1에 나타낸 팩 케이스(12)의 저면에 배치될 수 있다.
장착된 상태에서, 특히 셀 커버(150)가 히트 싱크(200)와 접촉할 수 있다. 이 경우, 셀 커버(150)가 히트 싱크(200)로 배터리 셀(105)의 열을 전달하는 냉각 핀의 역할을 수행함으로써, 배터리 팩 제조 공정을 간소화 및 효율화하면서도, 배터리 셀(105) 냉각 성능을 더욱 개선할 수 있다.
또한, 히트 싱크(200)는 셀 커버(150)의 양 단부(제1 커버부(152)의 단부(C1)와 제2 커버부(154)의 단부(C1))가 삽입되어 고정되는 고정 홈(210)을 구비할 수 있다. 고정 홈(210)은 셀 커버(150)의 단부 형상에 대응하는 슬릿(slit) 형상을 가질 수 있다. 고정 홈(210)은 셀 커버(150)의 단부에 대응되는 위치 및 형태로 히트 싱크(200)의 상단에 형성될 수 있다. 하나의 고정 홈(210)에는 셀 커버(150)의 단부 하나 이상이 끼워질 수 있다. 본 발명의 이러한 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)와 히트 싱크(200) 사이의 결합성이 보다 향상될 수 있다. 따라서, 배터리 팩(10)에 인가되는 진동이나 충격, 또는 배터리 셀(105)의 스웰링 발생 시와 같은 상황에서도, 셀 커버(150)와 그 내부에 수용된 배터리 셀(105)의 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)가 좌우 방향(Y축 방향)으로 이동하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 실시 구성에 의하면, 셀 커버(150)와 히트 싱크(200) 사이의 끼움 결합 구성을 통해, 셀 커버(150)의 조립 위치가 가이드될 수 있다. 따라서, 이 경우, 배터리 팩(10)의 조립성이 더욱 향상될 수 있다.
셀 커버(150)의 양 단부는 히트 싱크(200) 측으로 연장될 수 있다. 또한, 셀 커버(150)의 양 단부는 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154) 사이에 배치된 적어도 하나의 배터리 셀(105)과 히트 싱크(200) 사이에, 디렉셔널 벤팅을 위한 추가의 벤팅 공간(DV2)이 형성되도록, 해당 배터리 셀(105)의 단부보다 히트 싱크(200) 측으로 더 길게 연장될 수 있다.
그 다음, 도 9에 도시된 바와 같이, 셀 유닛(110)은 그 셀 커버(150)의 양 단부가 히트 싱크(200)의 고정 홈(210)에 삽입되는 방식으로 고정될 수 있다. 이와 같이 셀 커버(150)는 적어도 일측 단부가 히트 싱크(200)에 끼움 결합된 형태로 구성될 수 있다. 구체적으로, 셀 커버(150)의 하단부는 고정 홈(210)에 끼워짐으로써, 체결 고정될 수 있다. 그 결과, 배터리 셀(105)들의 상방과 하방에 열교환과 가스 벤팅이 가능한 벤팅 공간(DV1, DV2)이 각각 형성됨으로써, 배터리 셀(105)의 효율적 냉각과 디렉셔널 벤팅을 가능하게 한다.
또한, 셀 커버(150)는 배터리 팩(10)에 복수 포함될 수 있다. 복수의 셀 커버(150)를 포함하는 경우, 복수의 셀 커버(150) 사이는 도 9에 도시한 바와 같이 서로 이격될 수 있다. 예를 들어 복수의 셀 커버(150) 사이는 Y축 방향으로 이격될 수 있다. 이격된 공간을 통해 셀 커버(150) 사이의 직접적인 열 전달을 차단할 수 있다. 또한 이격된 공간을 통해 배터리 팩(10)을 구성하는 데에 필요한 별도 부재를 삽입할 수 있다. 또는 복수의 셀 커버(150) 사이의 적어도 일부에는 단열 패드나 화염 억제 패드 등이 개재될 수도 있다. 이러한 단열 패드나 화염 억제 패드는 어느 하나의 셀 커버(150) 안에서 발생할 수도 있는 열이나 화염이 다른 셀 커버(150) 쪽으로 전달되어 다른 배터리 셀(105)에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다. 화염 억제 패드는 염화 비닐 수지와 같은 내열성 수지, 실리콘이나 세라믹 등의 소재, 혹은 내열성 수지와 세라믹 혹은 유리 필러와의 복합체, 또는 절연 피복을 실시한 금속판 등으로 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며 난연 소재이면 충분하다. 적어도 배터리 셀(105)이 열폭주가 되는 온도(예를 들면 150℃~200℃)까지는 분해, 용해, 착화하지 않는 재료로 구성되면 바람직하다.
또한, 배터리 팩(10)에 다수의 셀 커버(150)가 적층되어 포함된 경우, 셀 커버(150) 사이에는 접착 부재가 개재될 수 있다. 예를 들어, 2개의 셀 커버(150)가 서로 대면하게 되는 부분에는 접착 부재가 개재되어, 이들 사이를 접착 고정시킬 수 있다. 이러한 접착 구성을 통해 여러 개의 셀 커버(150)간 연결 구성을 보다 견고히 할 수 있다.
배터리 셀(105)과 셀 커버(150) 사이에는, 배터리 셀(105)과 셀 커버(150) 사이의 이격 공간으로 형성되는, 앞서 언급한 벤팅 공간(DV1)이 구비되어 있다. 또한, 배터리 셀(105)과 히트 싱크(200) 사이에도 배터리 셀(105)과 히트 싱크(200) 사이의 이격 공간으로 형성되는, 추가의 벤팅 공간(DV2)이 구비되어 있다. 이러한 본 발명의 일 측면에 의하면, 특정 배터리 셀에서 열폭주 발생 시, 열적 이벤트에 효과적으로 대응할 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 화염이 발생되는 3요소(연료, 산소, 발화원) 중, 발화원에 해당하는 열의 축적이나 배출을 차단 내지 적절하게 제어하도록 할 수 있다. 나아가, 본 발명의 경우, 열 축적 차단 및 화염 배출을 방지하기 위하여, 벤팅 가스의 배출 제어와 디렉셔널 벤팅이 가능하도록 하는 벤팅 공간(DV1, DV2)이, 단지 양 측면의 높이가 배터리 셀(105)의 높이보다 더 높게 구성되는 셀 커버(150)를 포함하는 구성에 의해 쉽게 구현이 될 수 있다.
배터리 셀(105)들의 상방과 하방에 열교환과 가스 벤팅이 가능한 벤팅 공간(DV1, DV2)이 각각 형성되고, 이러한 벤팅 공간(DV1, DV2)의 가스는 셀 커버(150)의 노출된 측면으로 배출될 수 있다. 뿐만 아니라, 벤팅 공간(DV1, DV2)은 각 셀 유닛(110) 안에 셀 유닛(110)별로 마련이 된다. 이 경우, 어느 하나의 배터리 셀(105)에서 열 폭주가 발생하더라도 그 배터리 셀(105)에서 발생한 화염 또는 가스는 셀 커버(150)의 벤팅 공간(DV1, DV2)과, 여기에 연통된 셀 커버(150)의 노출된 측면으로만 배출될 수 있다. 따라서, 열 폭주가 발생한 배터리 셀(105)의 측면에 인접하게 배치된 다른 셀 커버(150)에 의해 감싸진 다른 배터리 셀(105)로 화염 또는 가스가 전파되지 않을 수 있다. 즉, 어느 하나의 배터리 셀(105)에서 열 폭주가 발생하더라도 다른 배터리 셀(105)에 대해서는 그 열 폭주의 영향이 최소화될 수 있다. 셀 유닛(110)간의 화염 또는 가스 전파가 확실히 차단된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 셀(105)의 효율적 냉각과 디렉셔널 벤팅을 가능하게 한다.
한편, 보통의 배터리 팩에서, 서로 다른 구성요소 사이에 열 전달 성능을 높이기 위해, 써멀 레진을 사용하고 있다. 써멀 레진은 부재간 접촉 열저항 감소를 위한 것이다. 만약 배터리 셀(105)로서 LFP 파우치 셀과 같이 보다 안전성 향상된 셀을 적용한다면, 본 발명의 배터리 팩(10)에서는 써멀 레진을 생략할 수 있을 정도로 효율적 냉각이 가능하다. 따라서, 써멀 레진 생략에 따른 제조 비용 절감 효과도 가져올 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 주요 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 유닛의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 유닛의 개략적인 단면도이다. 앞선 실시예에서와 동일한 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조부호를 부여하고 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10')은 복수의 셀 유닛(110')을 포함하는 배터리 어셈블리(100') 및 팩 케이스(12')를 포함한다.
팩 케이스(12’)는 내부에 빈 공간이 형성되어, 복수의 셀 유닛(110')을 수납할 수 있다. 예를 들어, 팩 케이스(12’)는 팩 트레이(14)와 팩 커버(16)를 구비할 수 있다. 팩 트레이(14)는 상단이 개방된 박스 형태로 구성되어 내부 공간에 다수의 셀 유닛(110')을 수납할 수 있다. 그리고, 팩 커버(16)는 팩 트레이(14)의 상단 개방부를 커버하는 덮개 형태로 구성될 수 있다. 이때, 팩 커버(16)는 하단이 개방된 박스 형태로 구성될 수도 있다.
셀 유닛(110')은 앞서 설명한 셀 유닛(110)과 마찬가지로 배터리 셀(105)과 배터리 셀(105)을 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버(150')를 포함할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 셀 커버(150’)는 팩 케이스(12’)의 내부 공간에서, 배터리 셀(105)을 감싸도록 구성될 수 있다.
셀 커버(150’)는 도 10의 실시예에서, 팩 트레이(14)의 바닥면에 직접 안착될 수 있다. 이때, 셀 커버(150')의 일부, 이를테면 셀 커버(150')의 하단부가 팩 트레이(14)의 바닥면에 직접 접촉하여 안착될 수 있다. 그리고, 셀 커버(150')는 이와 같이 하단부가 안착된 경우, 안착 상태가 안정적으로 유지되도록 구성될 수 있다.
셀 커버(150’)는 감싸진 배터리 셀(105)의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 배터리 셀(105)을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(150')는 배터리 셀(105)을 전체적으로 완전히 감싸지 않고, 일부분만 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(150')는 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 팩 케이스(12')를 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 팩 트레이(14)의 바닥면에 직접 대면 접촉될 수 있어 배터리 팩(10')의 냉각 성능이 보다 효과적으로 확보될 수 있다. 즉, 각각의 배터리 셀(105)로부터 방출된 열이 팩 케이스(12')로 직접 전달되어, 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 이 경우, 배터리 셀(105)과 팩 케이스(12') 사이에 별도의 냉각 구조가 구비되지 않아도 되므로, 효율적인 냉각 성능이 구현될 수 있다. 그리고, 이 경우, 배터리 셀(105) 사이에 공기 등의 냉매가 유입되기 위한 공간이 마련되지 않을 수 있다. 한편, 배터리 팩(10')에서, 서로 다른 구성요소 사이에 열 전달 성능을 높이기 위해, TIM(Thermal Interface Material)이 개재될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(105)과 셀 커버(150') 사이, 셀 커버(150')와 팩 케이스(12') 사이, 및/또는 배터리 셀(105)과 팩 케이스(12') 사이에 TIM이 충진될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(10')의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
TIM은 부재간 접촉 열저항 감소를 위한 것이다. 냉각이 중요한 배터리 팩에서는 이와 같이 접촉 열저항을 최소화할 수 있는 재료를 사용하여 전체 시스템의 열성능을 개선시킬 필요가 있다. TIM은 방열 그리스(thermally conductive grease), 방열 시트, 방열 패드, 열전도성 접착제, PCM(상변화물질) 등 다양할 수 있다. 구체적인 예를 들어, TIM은 방열 실리콘계 접착제(thermally conductive silicone-based bond), 방열 실리콘 패드(thermally conductive silicone pad) 및 방열 아크릴 접착제(thermally conductive acrylic bond) 중 어느 하나일 수 있다. 방열 실리콘계 접착제, 방열 아크릴 접착제는 1액형 또는 2액형으로 시판되고 있으며 도포 또는 주입의 방법으로 서로 다른 구성요소 사이에 적용할 수 있다. 방열 실리콘 패드는 양면 테이프와 같은 기재 필름과 그 상하부의 이형지를 포함하는 것이어서, 이형지를 제거한 후의 접착 방식으로 서로 다른 구성요소 사이에 적용할 수 있다. 방열 실리콘계 접착제, 방열 실리콘 패드, 방열 아크릴 접착제는 일반적인 접착제에 비해, 열전도율이 높기 때문에, 서로 다른 구성요소 사이에서 열 전달량 및 열 전달속도 등을 더욱 높일 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 셀(105)의 열 배출 성능을 보다 향상시켜, 배터리 팩(10')의 냉각 성능이 보다 개선되도록 할 수 있다.
한편 셀 유닛(110')은 배터리 셀(105)을 셀 커버(150')에 용이하게 수납하기 위한 방편으로서 셀 커버(150')에 비딩부를 포함함이 특징이다.
이를테면, 도 12에 도시한 바와 같이, 배터리 셀(105)과 셀 커버(150’) 사이에 앞서 언급한 벤팅 공간(DV1)이 구비되어 있는 점은 앞선 실시예와 동일하면서, 셀 커버(150’)는 배터리 셀(105) 하측 에지부 아랫쪽 부분이 셀 커버(150')의 내부 공간 방향으로 만입된 형태의 하측 비딩부(152a, 154a)를 구비할 수 있다.
즉, 셀 커버(150')는 셀 커버(150)와 동일하게 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 포함하되, 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)가 배터리 셀(105)을 노출시키는 개방부에 인접한 단부에 하측 비딩부(152a, 154a)를 더 포함한다. 하측 비딩부(152a, 154a)는 배터리 셀(105)을 향한 내측으로 만입된 형태이다.
또한 셀 유닛(110')은 셀 커버(150')의 최하단보다 윗쪽에 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 위치하도록 하여 도 12에 'h1'으로 표시한 바와 같이, 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 셀 커버(150')의 최하단보다 높이 위치하도록 구성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 하측 비딩부(152a, 154a)는 제1 커버부(152) 및 제2 커버부(154)의 하단부에 구비되고, 도 11과 같이, 셀 커버(150')의 길이 방향을 따라 연속되고, 제1 커버부(152) 하단의 하측 비딩부(152a)와 제2 커버부(154) 하단의 하측 비딩부(154a)는 도 12에 나타낸 셀 커버(150')의 중앙(C)을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 셀 커버(150')는 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154) 사이의 거리가 하측 비딩부(152a, 154a)에서 좁게 구성될 수 있다.
따라서 예컨대 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)의 간격이 살짝 벌어지도록 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 서로 반대방향으로 잡아당겨 놓은 상태에서 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 하측 비딩부(152a, 154a) 윗쪽에 위치하도록 삽입하고 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 다시 원상태가 되도록 놓으면 도 12와 같이, 하측 비딩부(152a, 154a)에 의해 배터리 셀(105)의 하부가 지지되어 'h1' 만큼 떠받혀진 상태가 될 수 있다. 도 12의 실시 구성과 같이, 하나의 셀 커버(150')와 3개의 배터리 셀(105)로 하나의 셀 유닛(110')을 형성할 경우, 배터리 셀(105)들은 서로 대면하는 면에 접착 시트가 적용되고, 최외곽 배터리 셀(105)의 일면과 제1 또는 제2 커버부(152, 154) 사이에도 접착 시트가 적용될 수 있다. 이때 최외곽 배터리 셀(105)은 하측 비딩부(152a, 154a)에 의해 하부가 지지되고 가운데 배터리 셀(105)은 제1 및 제2 커버부(152, 154)에 의해 측면 방향으로 작용하는 압박력과 최외곽 배터리 셀(105)과의 접착력에 의해 하부 방향으로 이탈되는 것이 저지될 수 있다.
이러한 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(105)들이 셀 커버(150)의 하측 비딩부(152a, 154a) 바로 위쪽에 떠받쳐지도록 조립이 가이드될 수 있다. 따라서, 셀 커버(150)의 제3 커버부(156)와 배터리 셀(105)의 상부측 에지부 사이에 이격 공간인 벤팅 공간(DV1)이 잘 유지되고, 동시에 셀 커버(150)의 최하단보다 윗쪽에 배터리 셀(105)의 하부측 에지부가 위치하도록 셀 유닛(110')을 구성하기 위한 공정이 보다 수월해질 수 있다.
한편, 도 13과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10')은 히트 싱크(200')를 구비하도록 구성될 수 있다. 특히, 배터리 팩(10')은 경량 및 구성요소의 간소화를 위해 팩 트레이(14)의 바닥판이 냉각수가 흐를 수 있는 유로를 구비한 히트 싱크 형태로 마련될 수 있다.
그리고 본 실시예의 셀 커버(150') 구성에 의하면, 배터리 셀(105)들은 하부측 에지부들이 셀 커버(150')의 하측 개방부를 통해 셀 커버(150')의 아래로 노출되어 팩 트레이(14)의 바닥판을 향하도록 배치될 수 있다. 이러한 배터리 셀(105)들의 하부측 에지부들과 팩 트레이(14)의 바닥판 사이에는 써멀 레진(220)이 구비될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10')은 각 배터리 셀(105)의 열이 각 배터리 셀(105)의 하부측 에지부→ 써멀 레진(220)→ 히트 싱크(200')로 기능하는 팩 트레이(14)로 방열될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 히트 싱크(200')는 복수의 배터리 셀(105)들과의 사이에 써멀 레진(220)이 개재되어 있다. 히트 싱크(200’)의 상부 표면에는 써멀 레진(220)이 도포될 수 있다. 그리고, 이와 같이 써멀 레진(220)이 도포된 히트 싱크(200’)의 상부 표면에, 다수의 셀 유닛(110'), 즉 복수의 배터리 셀(105)과 복수의 셀 커버(150')가 안착될 수 있다.
여기서, 써멀 레진(220)은 열을 전도하며 접착성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 써멀 레진(220)은 배터리 셀(105)에서 발생된 열이 히트 싱크(200')를 통해 방열되도록 히트 싱크(200')로 열을 전달할 수 있다. 뿐만 아니라, 써멀 레진(220)은 접착성을 가지므로, 셀 커버(150')를 히트 싱크(200')에 구조적으로 결합시킬 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 셀 커버(150')가 결합된 복수의 배터리 셀(105)들은 써멀 레진(220)이 도포된 히트 싱크(200’)의 상면에 직접 안착될 수 있다. 이 경우, 다수의 셀 유닛(110')은 써멀 레진(220)에 의해 히트 싱크(200’)의 상면에 안정적으로 결합 고정될 수 있다. 특히, 각각의 셀 유닛(110')에 포함된 배터리 셀(105)과 셀 커버(150')는 상하 방향(Z축 방향) 길이가 좌우 방향(Y축 방향) 폭에 비해 길게 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(105)과 셀 커버(150')는 히트 싱크(200’)의 상면에 세워진 상태, 즉 기립 상태로 안착되어 있다고 할 수 있다. 이때, 써멀 레진(220)은 셀 커버(150')의 기립 상태가 보다 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 셀 커버(150')의 하측 비딩부(152a, 154a) 구성에 의하면, 도 13과 같이, 어느 하나의 셀 유닛(110')의 하측 비딩부(이를테면 좌측 최외각 배터리 셀(105)의 하측 비딩부(154a)와 다른 하나의 셀 유닛(110')의 하측 비딩부(이를 테면 가운데 배터리 셀(105)의 하측 비딩부(152a)) 사이에 공기층(230)이 형성될 수 있다. 이러한 공기층(230)은 셀 유닛(110')들 간의 열전달율을 저하시키는 작용을 할 수 있다. 따라서 셀 커버(150’)의 하측 비딩부(152a, 154a) 구성은 셀 유닛(110')들 간의 열 전이를 막는데도 유리한 효과를 갖는다.
또한, 본 실시예에 따른 셀 커버(150')는 배터리 셀(105)들의 스웰링을 저지하는데도 유리하게 작용할 수 있다. 파우치형 배터리 셀과 같은 배터리 셀(105)들의 스웰링시 스웰링 압력은 하측 비딩부(152a, 154a)를 펴는 방향으로 작용하게 되는데, 이때 하측 비딩부(152a, 154a)는 탄성 복원력을 갖게 되고, 상기 탄성 복원력은 스웰링을 저지하는 방향으로 작용하게 된다. 또한, 셀 커버(150’)의 하측 비딩부(152a, 154a)가 배터리 셀(105)들의 스웰링시 압력을 분산 내지 흡수하게 되어 셀 커버(150')의 크랙 가능성이 낮추고 배터리 셀(105)들을 압박하여 스웰링량을 최소화하는데 유리하게 작용할 수 있다.
이어서 도 14 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 커버의 다른 실시예들을 살펴본다.
도 14는 도 12에 대응하는 도면으로, 도 12의 셀 유닛의 다른 실시예를 도시한 도면이고, 도 15은 도 12에 대응하는 도면으로, 도 12의 셀 유닛의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 14와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 유닛(110")에 포함되는 셀 커버(150")는 비딩부가 상부측에 구비될 수 있다. 다시 말하면, 본 실시예의 셀 커버(150")는 제3 커버부(156)와 연결되는 제1 커버부(152)의 상단부 및 제3 커버부(156)와 연결되는 제2 커버부(154)의 상단부에 구비되는 상측 비딩부(152b, 154b)를 포함한다.
즉, 셀 커버(150")는 앞서 설명한 셀 커버(150)와 동일하게 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)를 포함하되, 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154)가 제3 커버부(156)와 배터리 셀(105) 사이에 상측 비딩부(152b, 154b)를 더 포함한다. 상측 비딩부(152b, 154b)도 배터리 셀(105)을 향한 내측으로 만입된 형태이다.
상측 비딩부(152b, 154b)는 제1 커버부(152) 및 제2 커버부(154)의 상단부에 구비되고, 하측 비딩부(152a, 154a)처럼 셀 커버(150")의 길이 방향을 따라 연속될 수 있다. 그리고, 제1 커버부(152) 상단의 상측 비딩부(152b)와 제2 커버부(154) 상단의 상측 비딩부(154a)는 도 14에 나타낸 셀 커버(150")의 중앙(C)을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 셀 커버(150")는 제1 커버부(152)와 제2 커버부(154) 사이의 거리가 상측 비딩부(152b, 154b)에서 좁게 구성될 수 있다.
이러한 도 14의 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(105)들을 셀 커버(150")에 삽입시, 도 14의 'h2'로 표시한 바와 같이, 제3 커버부(156)와 배터리 셀(105)의 상부측 에지부 사이의 간격을 일정하게 남겨 놓기 용이하다. 또한, 배터리 셀(105)들의 스웰링시 셀 커버(150")에 작용하는 응력이 주로 제3 커버부(156)와 제1 및 제2 커버부(152, 154)의 연결 부위에 집중되어 해당 부위의 파손 우려가 가장 큰데, 본 실시 구성에 의하면, 배터리 셀(105)들의 스웰링시 응력을 분산, 흡수할 수 있어 셀 커버(150")의 파손을 효과적으로 저지할 수 있다.
또 다른 실시예로서, 도 15와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀 유닛(110''')에 포함되는 셀 커버(150''')는 비딩부가 상부측과 하부측에 각각 구비될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀 커버(150''')는 제3 커버부(156)와 연결되는 제1 커버부(152)의 상단부 및 제3 커버부(156)와 연결되는 제2 커버부(154)의 상단부에 구비되는 상측 비딩부(152b, 154b) 그리고 제1 커버부(152)의 하단부, 제2 커버부(154)의 하단부에 구비되는 하측 비딩부(152a, 154a)를 포함한다. 이러한 도 15의 실시 구성은 전술한 도 12에 따른 하측 비딩부, 도 14에 따른 상측 비딩부의 장점을 모두 갖는 실시 구성이라 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(10')은 팩 케이스(12')의 내부 공간에 수납된 제어 모듈(18)을 더 포함할 수 있다. 앞서 설명한 배터리 팩(10)에도 이러한 제어 모듈이 더 포함될 수 있음은 물론이다. 이러한 제어 모듈(18)은 BMS를 포함할 수 있다. 제어 모듈(18)은 팩 케이스(12)의 내부 공간에 장착되며, 배터리 셀(105)의 충방전 동작이나 데이터 송수신 동작 등을 전반적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 모듈(18)은 모듈 단위가 아닌 팩 단위에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로는 제어 모듈(18)은 팩 전압 및 팩 전류를 통해 배터리 셀(105)의 충방전 상태, 전력 상태 및 성능 상태 등을 제어하도록 마련될 수 있다. 제어 모듈(18)은 배터리 팩(10') 내의 배터리 셀(105)들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(10')을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(10')의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(10') 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(10')의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(10')의 교체 시기 추정도 가능하다.
배터리 팩(10')뿐만 아니라 배터리 팩(10)은 나아가 배터리 차단 유닛(19)을 더 포함할 수 있다. 배터리 차단 유닛(19)은 배터리 팩(10, 10')의 전력 용량과 기능을 관리하기 위해 배터리 셀(105)들의 전기적 연결을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 배터리 차단 유닛(19)은 파워 릴레이와 전류 센서, 퓨즈 등을 포함할 수 있다. 배터리 차단 유닛(19) 역시 모듈 단위가 아닌 팩 단위에 제공되는 구성으로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 차단 유닛이 채용될 수 있다.
이 밖에도, 본 발명에 따른 배터리 팩(10, 10')은 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩의 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(10, 10')의 경우, 작업자가 수작업으로 서비스 플러그를 분리하여 전원을 차단할 수 있는 MSD(Manual Service Disconnector)를 더 포함할 수 있다. 또한, 복수의 배터리 어셈블리(100, 100')간을 상호 연결하기 위한 플랙서블 버스바나 케이블들을 더 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 어셈블리(100, 100')는 배터리 팩에 적용될 수 있음은 물론, 별도의 케이스를 가지며 배터리 팩이나 ESS의 랙(rack)에 수납되는 배터리 모듈에도 적용될 수도 있다.
도 16에는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)가 도시되어 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(V)는 앞서 설명된 다양한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 어셈블리를 포함하는 배터리 팩(10, 10')을 포함할 수 있다.
이와 같이, 자동차(V)에 구비된 배터리 팩(10, 10')은 자동차(V)의 여러 동작에 필요한 전기 에너지를 제공할 수 있다. 여기서, 자동차(V)는 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 구동원으로 사용하는 소정의 자동차를 포함할 수 있다. 또한, 자동차(V)는 본 발명에 따른 배터리 팩(10, 10') 이외에, 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소, 이를테면 차체나 모터 등을 더 포함할 수 있다.
배터리 팩(10, 10')은 자동차(V) 내의 소정의 위치에 배설될 수 있다. 배터리 팩(10, 10')은 전기 자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(V)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(10, 10')은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(10, 10')은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(10, 10')은 브레이크(brake)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(10, 10')은 인버터를 통해 자동차(V)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 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.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 10': 배터리 팩 12: 팩 케이스
100: 배터리 어셈블리 105: 배터리 셀
107: 전극 리드 110, 110': 셀 유닛
150, 150', 150", 150''': 셀 커버
152: 제1 커버부 154: 제2 커버부
156: 제3 커버부 152a, 154a: 하측 비딩부
152b, 154b: 상측 비딩부 200, 200': 히트 싱크
210: 고정 홈 220: 써멀 레진
230: 공기층 DV1, DV2: 벤팅 공간
V: 자동차

Claims (23)

  1. 복수의 셀 유닛을 포함하는 배터리 어셈블리; 및
    상기 배터리 어셈블리를 내부 공간에 수용하는 팩 케이스를 포함하고,
    각각의 셀 유닛은 적어도 하나의 배터리 셀과, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 외부를 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버를 포함하고,
    상기 셀 커버와 배터리 셀 사이에 벤팅 공간이 구비된 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 기립 상태로 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는 감싸진 배터리 셀의 적어도 일측이 상기 팩 케이스를 향하여 노출되는 개방부를 형성하도록 상기 배터리 셀을 부분적으로 감싸는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는 하나의 플레이트가 절곡된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는 내측면에 절연 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 셀 커버는
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일 측면을 커버하는 제1 커버부;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 타 측면을 커버하는 제2 커버부; 및
    상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부를 연결하며 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일측 에지부를 커버하는 제3 커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 벤팅 공간이 상기 배터리 셀과 상기 제3 커버부 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 제1 커버부와 제2 커버부의 내측면에 접착되어 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 커버부의 단부 중 상기 제3 커버부와 연결되어 있지 않은 단부와 상기 제2 커버부의 단부 중 상기 제3 커버부와 연결되어 있지 않은 단부가 상기 배터리 셀의 일측이 상기 팩 케이스를 향하여 노출되는 개방부를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 상기 셀 커버의 제1 및 제2 커버부 사이에 배치되되, 상기 제3 커버부와의 사이에 소정 공간이 형성되도록 상기 제3 커버부와 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제6항에 있어서, 상기 셀 커버의 제1 및 제2 커버부의 상하 방향 길이는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상하 방향 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제6항에 있어서, 상기 배터리 팩은 상기 셀 유닛과 열접촉하여 상기 셀 유닛을 냉각시키는 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서, 상기 셀 커버가 상기 히트 싱크와 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제12항에 있어서, 상기 셀 커버의 양 단부는 상기 히트 싱크 측으로 연장되되, 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부 사이에 배치된 상기 적어도 하나의 배터리 셀과, 상기 히트 싱크 사이에 소정 공간이 형성되도록, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 단부보다 더 길게 연장된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 셀 커버의 양 단부가 삽입되어 고정되는 고정 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제9항에 있어서, 상기 제1 커버부와 제2 커버부는 상기 개방부에 인접한 단부에 형성되며 상기 배터리 셀을 향한 내측으로 만입된 하측 비딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하측 비딩부는 상기 셀 커버의 길이 방향을 따라 연속되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 커버부의 하측 비딩부와 상기 제2 커버부의 하측 비딩부는 상기 셀 커버의 중앙을 기준으로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제6항에 있어서, 상기 제1 커버부와 제2 커버부는 상기 제3 커버부와 상기 배터리 셀 사이에 상기 배터리 셀을 향한 내측으로 만입된 상측 비딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제19항에 있어서, 상기 상측 비딩부는 상기 셀 커버의 길이 방향을 따라 연속되게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 커버부의 상측 비딩부와 상기 제2 커버부의 상측 비딩부는 상기 셀 커버의 중앙을 기준으로 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제16항에 있어서, 상기 제1 커버부와 제2 커버부는 상기 제3 커버부와 상기 배터리 셀 사이에 상기 배터리 셀을 향한 내측으로 만입된 상측 비딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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