KR20240012297A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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KR20240012297A
KR20240012297A KR1020230077098A KR20230077098A KR20240012297A KR 20240012297 A KR20240012297 A KR 20240012297A KR 1020230077098 A KR1020230077098 A KR 1020230077098A KR 20230077098 A KR20230077098 A KR 20230077098A KR 20240012297 A KR20240012297 A KR 20240012297A
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Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 파우치형 배터리 셀들; 내부 공간에 복수의 파우치형 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스; 및 팩 케이스의 내부 공간에서, 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버를 포함하며, 복수의 셀 커버 중 어느 하나의 제1 셀 커버와, 이웃하는 다른 하나의 제2 셀 커버는 서로 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{Battery pack and vehicle including the same}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 셀 커버에 감싸진 파우치형 배터리 셀들 간의 결합력을 높이고 조립 공정을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등과 같이 반복적 충·방전이 가능한 배터리를 말한다. 이러한 이차전지의 충·방전 기본 단위에 해당하는 배터리 셀(battery cell)의 출력 전압은 대략 2.5V에서 4.2V 정도이다.
최근, 이차전지가 전기 차량(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 모듈(battery module)을 구성하고, 이와 같이 구성된 다수의 배터리 모듈들을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하는 방식으로 제조되는 배터리 팩(battery pack)이 널리 사용되고 있다.
그러나, 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.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 CTP(Cell To Pack)타입의 배터리 팩으로서, 파우치형 배터리 셀들을 공간 효율적으로 팩 케이스에 수납할 수 있고 종래의 배터리 팩에 비해 에너지 밀도가 높으면서도 조립 공정을 간소화할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, CTP 타입의 배터리 팩에 있어서, 셀 커버에 감싸진 파우치형 배터리 셀들 간의 결합력을 높이고 조립 공정을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 파우치형 배터리 셀들; 내부 공간에 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버를 포함하며, 복수의 상기 셀 커버 중 어느 하나의 제1 셀 커버와, 이웃하는 다른 하나의 제2 셀 커버는 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버의 일측에는 결합돌기가 형성되고, 상기 셀 커버의 타측에는 결합홈이 형성되며, 상기 제1 셀 커버의 결합돌기가 상기 제2 셀 커버의 결합홈에 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결합돌기와 상기 결합홈은 상기 셀 커버의 하측에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결합돌기와 상기 결합홈은 억지 끼움 방식으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결합돌기와 상기 결합홈의 단면 형상은 사각형일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결합돌기와 상기 결합홈은 각각 복수개로 구비되며, 복수개의 상기 결합돌기와 복수개의 상기 결합홈은 각각 상기 셀 커버의 측면에서 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는, 상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 일 측면을 커버하는 제1 커버부; 상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 타 측면을 커버하는 제2 커버부; 및 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부를 연결하고 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상단 부분을 커버하는 제3 커버부를 포함하며, 상기 제1 커버부에 결합돌기가 형성되고, 상기 제2 커버부에 결합홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 셀 커버의 상기 제1 커버부에 형성된 결합돌기가 상기 제2 셀 커버의 상기 제2 커버부에 형성된 결합홈에 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결합돌기는 상기 셀 커버의 상기 제1 커버부의 하측으로부터 수평 방향으로 돌출되게 형성되고, 상기 결합홈은 상기 셀 커버의 상기 제2 커버부의 하측으로부터 상측 방향으로 함몰되게 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀은 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부의 내측면에 접착되어 고정될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 기립 상태로 지지하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 내측면에 절연 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 일체로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 셀 커버는 감싸진 배터리 셀의 적어도 일측이 상기 팩 케이스를 향하여 노출되는 개방부를 형성하도록 상기 배터리 셀을 부분적으로 감싸도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, CTP(Cell To Pack) 컨셉으로서 모듈 케이스 등이 제거되어 냉각 성능과 에너지 밀도 등이 향상될 수 있다.
또한, 어느 하나의 셀 커버와 이웃하난 다른 하나의 셀 커버가 결합 가능하도록 구성되어 셀 커버에 감싸진 파우치형 배터리 셀들 간의 결합력을 높이고 조립 공정을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 플라스틱 카트리지와 같은 적층용 프레임이나 별도의 팩 케이스 등의 구성이 없이도, 다수의 파우치형 배터리 셀을 팩 케이스나 팩 케이스 내부에 안정적으로 수납할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연성 재질 케이스를 갖는 파우치형 배터리 셀을 쉽게 견고한 형태로 만들어, 팩 케이스 내부에서 직접 적층되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다. 따라서, 배터리 팩이나 배터리 모듈의 조립성과 기계적 안정성 등이 향상될 수 있다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 셀 커버와 배터리 셀의 분리 사시도이다.
도 3은 도 2의 셀 커버와 배터리 셀의 결합 사시도이며, 셀 커버의 일측을 도시하고 있다.
도 4는 도 2의 셀 커버와 배터리 셀의 결합 사시도이며, 셀 커버의 타측을 도시하고 있다.
도 5는 도 1의 A-A'을 따라 바라본 단면도이며, 일부의 배터리 셀과 셀 커버를 도시하고 있다.
도 6은 도 5에서 어느 하나의 셀 커버가 이웃하는 다른 하나의 셀 커버로부터 분리된 단면도이다.
도 7은 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 셀 커버와 배터리 셀의 분리 사시도이며, 도 3은 도 2의 셀 커버와 배터리 셀의 결합 사시도이며, 셀 커버의 일측을 도시하고 있고, 도 4는 도 2의 셀 커버와 배터리 셀의 결합 사시도이며, 셀 커버의 타측을 도시하고 있고, 도 5는 도 1의 A-A'을 따라 바라본 단면도이며, 일부의 배터리 셀과 셀 커버를 도시하고 있으며, 도 6은 도 5에서 어느 하나의 셀 커버가 이웃하는 다른 하나의 셀 커버로부터 분리된 단면도이다.
앞서 설명한 바와 같이, 통상 배터리 셀들은 박스 형태의 금속 케이스에 수용되어 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈들이 다시 배터리 팩의 팩 케이스에 수용되어 배터리 팩을 구성한다. 다만, 이 경우 전체 배터리 팩의 무게와 부피가 증가하고 배터리 팩의 에너지 밀도가 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 배터리 모듈의 모듈 케이스를 제거하고 배터리 셀(100)을 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200)에 직접 수납하도록 구성된다.
이에 의하면, 배터리 팩(10) 내에서 배터리 모듈의 모듈 케이스 등이 차지하던 공간에 배터리 셀(100)을 더 수납할 수 있으므로 공간 효율성이 증대되고 배터리 용량이 향상되는 효과가 있다. 즉, 본 발명에서 배터리 모듈의 모듈 케이스는 구성에 포함되지 않을 수 있다.
다만, 모듈 케이스를 사용하는 실시예를 완전히 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라, 배터리 모듈에 구비된 모듈 케이스에 본 발명의 각 실시예의 파우치형 배터리 셀(100)이 수납되도록 구성될 수도 있다.
즉, 본 발명의 각 실시예에서의 셀 커버(300)가 결합된 파우치형 배터리 셀(100)이 구비된 배터리 모듈 역시 본 발명의 권리범위 내에 속한다.
한편, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 파우치형 배터리 셀(100)들의 충방전을 제어하도록 구성된 제어 모듈을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 이러한 제어 모듈은 배터리 관리 시스템(400, Battery Management System, BMS)과 배터리 차단 유닛(500)을 포함할 수 있으며, 배터리 셀(100) 및 셀 커버(300)와 함께 팩 케이스(200)의 내부에 수납될 수 있다.
그리고, 본 명세서에서 간단하게 배터리 셀(100)이라고 기재된 경우에도 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀(100)을 의미한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 파우치형 배터리 셀(100)과, 팩 케이스(200)와, 셀 커버(300)를 포함한다.
배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀(100)로서 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 포함할 수 있다. 즉, 배터리 셀(100)은 충전 및 방전의 기본 단위에 해당하는 것으로서, 연질의 금속 케이스 내부에 전극 조립체와 전해질 물질을 수납하고 해당 금속 케이스를 실링하는 방식으로 제조될 수 있다. 이 경우, 전극 조립체는 양극 전극과 음극 전극 사이에 분리막을 개재시키는 방식으로 제조될 수 있다.
또한, 배터리 셀(100)의 전단과 후단에는 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극 리드(110, 도 2 참조)가 마련될 수 있다. 이러한 배터리 셀(100)은 파우치(pouch) 형태로 구성될 수 있다. 이러한 파우치형 배터리 셀(100)은 배터리 팩(10)에 복수 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 복수의 파우치형 배터리 셀(100)은 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다.
팩 케이스(200)는 내부에 빈 공간이 형성되며, 이러한 내부 공간에 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들을 수납할 수 있다. 특히, 본 발명에서 파우치형 배터리 셀(100)은 팩 케이스(200)에 직접적으로 안착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 배터리 셀(100)들이 별도의 모듈 케이스에 수용되어 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200)에 장착되는 것이 아니라, 간소화된 구조의 셀 커버(300)에 의해 부분적으로만 커버되며 상기 팩 케이스(200)에 직접 장착됨으로써, 전체 배터리 팩(10)의 무게와 부피를 감소시키고 배터리 팩(10)의 에너지 밀도를 높이면서도, 다수의 배터리 셀(100)들을 케이스에 직접 장착하고 사용하는 과정에서 발생하는 배터리 셀(100)들의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 제조 공정이 간소화될 수 있다.
도 1을 참조하면, 팩 케이스(200)는 하부 프레임(210)과, 측면 프레임(220)과, 상부 커버(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 팩 케이스(200)는 플라스틱 또는 금속 재질로 제작될 수 있다. 그 밖에도, 팩 케이스(200)는 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩(10)의 외장재 재질을 채용할 수 있다.
하부 프레임(210)에는 복수의 배터리 셀(100)이 안착된다. 측면 프레임(220)은 하부 프레임(210)의 가장자리로부터 상측을 향해 연장되며, 복수의 배터리 셀(100)을 수용하는 내부 공간이 형성된다. 여기서, 배터리 셀(100)에는 셀 커버(300)가 결합되어 있다. 상부 커버(230)는 측면 프레임(220)에 결합되며, 측면 프레임(220)과 하부 프레임(210)을 커버한다. 여기서, 상부 커버(230)의 내부에는 가스가 이동할 수 있는 가스 채널(미도시)이 형성될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 셀 커버(300)는 팩 케이스(200)의 내부 공간에서 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련될 수 있다. 즉, 셀 커버(300)는 셀 커버(300)에 의해 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 파우치형 배터리 셀(100)을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
여기서, 도 5를 참조하면, 복수의 셀 커버(300) 중 어느 하나의 제1 셀 커버(300a)와, 제1 커버에 이웃하는 다른 하나의 제2 셀 커버(300b)는 서로 결합될 수 있다. 제1 셀 커버(300a)와 제2 셀 커버(300b)가 결합되는 방식은 다양할 수 있다. 예를 들어, 결합돌기(311)와 결합홈(321)에 의해 결합될 수도 있고, 나사 내지 볼트와 같은 체결부재에 의해 결합될 수도 있다. 다만, 결합 방식이 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 결합돌기(311)와 결합홈(321)에 의한 결합 방식을 중심으로 설명한다.
복수의 셀 커버(300) 중 어느 하나의 셀 커버(300)에는 결합돌기(311)와 결합홈(321)이 모두 형성될 수 있다. 예를 들어 도 6을 참조하면, 셀 커버(300)의 일측에는 결합돌기(311)가 형성되고, 셀 커버(300)의 타측에는 결합홈(321)이 형성될 수 있다. 그리고, 도 5에서와 같이, 제1 셀 커버(300a)의 결합돌기(311a)가 제2 셀 커버(300b)의 결합홈(321b)에 결합되도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 셀 커버(300)는 제1 커버부(310)와, 제2 커버부(320)와, 제3 커버부(330)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 커버부(310)는 복수의 배터리 셀(100)들 중 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 일 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 제1 커버부(310)는 제3 커버부(330)의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 커버부(310)는 제3 커버부(330)의 좌측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 제1 커버부(310)는 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 넓은 면을 감싸도록 구성될 수 있다.
제2 커버부(320)는 복수의 배터리 셀(100)들 중 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 타 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 제2 커버부(320)는 제1 커버부(310)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 그리고, 제2 커버부(320)는 제3 커버부(330)의 타단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 커버부(320)는 제3 커버부(330)의 우측 단부에서 하부 방향으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 그리고 제2 커버부(320)는 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 넓은 면을 감싸도록 구성될 수 있다.
제3 커버부(330)는 제1 커버부(310)와 제2 커버부(320)를 연결하고 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 상단 부분을 커버한다.
그리고, 도 6에서와 같이, 셀 커버(300)가 제1 커버부(310)와, 제2 커버부(320)와, 제3 커버부(330)를 포함하여 구성된 경우 결합돌기(311)는 셀 커버(300)의 제1 커버부(310)에 형성되고, 결합홈(321)은 셀 커버(300)의 제2 커버부(320)에 형성될 수 있다.
여기서, 도 5를 참조하면, 제1 셀 커버(300a)의 제1 커버부(310a)에 형성된 결합돌기(311a)가 제2 셀 커버(300b)의 제2 커버부(320b)에 형성된 결합홈(321b)에 결합될 수 있다. 즉, 복수의 셀 커버(300) 중 어느 하나의 셀 커버(300)의 결합돌기(311)가, 이웃하는 다른 하나의 셀 커버(300)의 결합홈(321)에 결합되며, 이러한 방식으로 복수의 셀 커버(300)는 모두 결합될 수 있다.
그리고, 결합돌기(311)와 결합홈(321)은 셀 커버(300)의 다양한 위치에 형성될 수 있으며, 예를 들어, 도 3 및 도 4에서와 같이 셀 커버(300)의 하측에 형성될 수 있다. 다만, 결합돌기(311)와 결합홈(321)의 형성 위치가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3을 참조하면, 결합돌기(311)는 셀 커버(300)의 제1 커버부(310)에 복수개 형성될 수 있다. 그리고, 복수개의 결합돌기(311)는 셀 커버(300)의 제1 커버부(310)의 측면에서 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치된다. 이러한 간격은 동일할 수도 있지만, 동일하지 않을 수도 있다. 그리고, 결합돌기(311)는 셀 커버(300)의 제1 커버부(310)의 하측으로부터 수평 방향으로 돌출되게 형성될 수 있다.
그리고, 도 4를 참조하면, 결합홈(321)은 셀 커버(300)의 제2 커버부(320)에 복수개 형성될 수 있다. 복수개의 결합홈(321)은 셀 커버(300)의 제2 커버부(320)의 측면에서 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치된다. 이러한 간격은 동일할 수도 있지만, 동일하지 않을 수도 있다. 그리고, 결합홈(321)은 셀 커버(300)의 제2 커버부(320)의 하측으로부터 상측 방향으로 함몰되게 형성될 수 있다.
여기서, 결합돌기(311)와 결합홈(321)의 결합을 위해 복수개의 결합돌기(311)의 간격과, 복수개의 결합홈(321)의 간격은 서로 동일하다.
이와 같이, 복수의 결합돌기(311)와, 복수의 결합홈(321)을 미리 설정된 간격을 가지도록 구성하면, 복수의 결합돌기(311)와 복수의 결합홈(321)에 작용하는 외력이 분산될 수 있으며, 이에 의해, 결합돌기(311) 또는 결합홈(321)의 파손을 방지할 수 있다.
그리고, 결합돌기(311)와 결합홈(321)은 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 서로 대응되는 형상, 예를 들어 단면이 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 결합돌기(311)와 결합홈(321)의 단면의 형상은 사각형일 수 있지만 이는 하나의 예시에 불과하며, 결합돌기(311)와 결합홈(321)의 단면 형상은 다양할 수 있다.
이와 같은 형태에서 결합돌기(311)와 결합홈(321)은 억지 끼움 방식으로 상호 결합될 수 있다. 그리고, 복수의 셀 커버(300)가 결합돌기(311)와 결합홈(321)에 의해 결합되면 셀 커버(300) 각각이 서로 고정되고 지지되어 블럭화될 수 있다.
이와 같이, 셀 커버(300)에 감싸진 복수의 배터리 셀(100)이 서로 결합되어 블럭화되면 배터리 셀(100) 전체가 팩 케이스(200)에 용이하게 수납될 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀(100)이 감싸진 복수의 셀 커버(300)가 블럭화된 경우, 복수의 셀 커버(300) 중 어느 하나의 셀 커버(300)를 들어 올리면 서로 결합된 모든 셀 커버(300)가 들어 올려진다. 즉, 픽업 지그(미도시) 등을 사용하여 블럭화된 배터리 셀(100)을 쉽게 팩 케이스(200)에 수납할 수 있다. 또한, 블럭화된 배터리 셀(100)을 팩 케이스(200)에 안착하는 것만으로도 배터리 셀(100)이 정렬되므로, 조립 공정이 수월해지는 효과가 있다.
셀 커버(300)는 파우치형 배터리 셀(100)을 세워진 상태로 지지하도록 구성될 수 있다. 일반적으로 파우치형 배터리 셀(100)은 상하 방향으로 세워진 형태로 적층시키는 것이 용이하지 않다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서 셀 커버(300)는 하나 또는 그 이상의 파우치형 배터리 셀(100)을 감싸면서 감싸진 파우치형 배터리 셀(100)의 세워진 상태, 즉, 기립 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
또한, 셀 커버(300)는 일체로 구성될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(300)는 판 구조의 금속 플레이트를 절곡시키는 방식으로 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(300)는 하나의 플레이트가 절곡된 형태로 형성될 수 있다.
셀 커버(300)는 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(300)는 스틸로 구성될 수 있고, 특히, 가공이 용이하고 내식성이 높으며, 기계적 강도 내지 강성이 우수한 스테인리스 스틸(SUS)을 포함하는 소재로 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 셀 커버(300)는 강성 확보를 위해, SUS 이외의 다양한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어 크롬(CR) 계열의 금속 재질로 구성될 수 있다.
이러한 금속 재질의 경우, 배터리 셀(100)들의 적층 상태를 보다 안정적으로 유지하며, 외부 충격으로부터 배터리 셀(100)들을 보다 안전하게 보호할 수 있다. 또한, 예로 든 바와 같이 셀 커버(300)가 SUS와 같은 스틸 재질로 이루어지는 경우, 높은 용융점으로 인해 배터리 셀(100)로부터 화염 발생 시 전체적인 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. 특히, 스틸 재질의 경우, 알루미늄 재질에 비해 녹는점이 높으므로, 배터리 셀(100)로부터 분출된 화염에도 용융되지 않고, 그 형태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100) 간 화염 전파 방지 내지 지연 효과, 벤팅 제어 효과 등이 우수하게 확보될 수 있다.
셀 커버(300)는 내측면에 절연 코팅층(미도시)을 포함할 수 있다. 절연 코팅층(미도시)은 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(300)의 절연 코팅층 구성에 의하면, 최소한의 코팅 양으로 절연 코팅 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 절연 코팅층(미도시)이 셀 커버(300)의 내측면에 적용되어 있어, 배터리 셀(100)과 셀 커버(300) 간의 절연성이 강화될 수 있다.
셀 커버(300)는 감싸진 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 팩 케이스(200)를 향하여 노출되는 개방부(340, 도 2 참조)를 형성하도록 배터리 셀(100)을 부분적으로 감싸고 있다. 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(100)의 냉각 효율이 보다 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 구성의 경우, 각 배터리 셀(100)의 일부가 개방부(340)를 통해 팩 케이스(200)에 직접 노출될 수 있으므로, 각 배터리 셀(100)의 열이 팩 케이스(200)를 통해 외부로 효과적으로 배출될 수 있다. 이 경우, 파우치형 배터리 셀(100)과 팩 케이스(200) 사이에 별도의 냉각 구조가 구비되지 않아도 되므로 제조의 용이성 및 비용 절감 측면에서 유리하다.
여기서, 도 6을 참조하면, 개방부(340)는 제1 커버부(310)의 단부 중 제3 커버부(330)와 연결되어 있는 단부의 반대측 단부와, 제2 커버부(320)의 단부 중 제3 커버부(330)와 연결되어 있는 단부의 반대측 단부 사이에 형성되도록 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 팩 케이스(200)와 파우치형 배터리 셀(100) 사이, 팩 케이스(200)와 셀 커버(300) 사이 또는 파우치형 배터리 셀(100)과 셀 커버(300) 사이에 열 전달 물질(Thermal Interface Material, TIM)이 개재될 수 있다. 열 전달 물질은 서로 다른 구성요소 사이에서 각 구성요소들의 열 전달 성능을 높이기 위한 물질이다.
여기서, 열 전달 물질은 써멀 레진일 수 있으며, 필요에 따라 써멀 패드가 사용될 수도 있다. 이에 의해, 배터리 팩(10)의 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있다.
도 1을 참조하면, 복수의 파우치형 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)을 감싸도록 구성된 셀 커버(300)가 팩 케이스(200)의 내부 공간에 수납될 수 있다.
셀 커버(300)는 다양한 개수의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 셀 커버(300)는 1개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 또는, 하나의 셀 커버(300)가 2개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다. 또는, 하나의 셀 커버(300)가 3개의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수도 있다. 또는, 하나의 셀 커버(300)가 더 많은 개수의 파우치형 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수도 있다.
복수의 파우치형 배터리 셀(100)들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀(100)은 셀 커버(300)의 제1 커버부(310)와 제2 커버부(320)의 내측면에 접착되어 고정될 수 있다. 접착을 위한 부재는 열전도성일 수 있다. 이러한 접착을 통하여 셀 커버(300)는 배터리 셀(100)에 견고하게 결합되며 배터리 셀(100)에서 발생되는 열을 배터리 셀(100) 외부로 배출하는 데에 도움이 될 수 있다.
상기 실시 구성에서, 셀 커버(300)의 제1 커버부(310)와, 제2 커버부(320)와, 제3 커버부(330)에 의해 내부 공간이 한정될 수 있다. 그리고, 이와 같이 한정된 셀 커버(300)의 내부 공간에 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(100)이 수용될 수 있다.
셀 커버(300)는 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 3면을 둘러싸는 'n'자 형태, 'u'자 형태 또는 'ㄷ'자 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 도 1을 참조하면, 셀 커버(300)는 복수의 배터리 셀(100)이 상하 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향으로 적층될 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어 도 1을 참조하면, 각각의 셀 커버(300)는 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(100)을 감싸는 형태로 구성되고, 셀 커버(300)에 각각 둘러싸인 복수의 배터리 셀(100)이 도 1의 Y축 방향으로 상호 적층될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(300)에 의해, 복수의 배터리 셀(100)이 각각 세워진 상태에서 Y축 방향으로 나란하게 적층된 구성이 안정적으로 유지될 수 있다.
또한, 셀 커버(300)는 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 3면을 둘러싸도록 함으로써, 각 셀 커버(300)로 감싸지지 않는 측면에 버스바나 각 유닛의 단자를 쉽게 위치시킬 수 있다.
파우치형 배터리 셀(100)과 같은 배터리 셀(100)은 대략 6면체로 형성된다고 할 수도 있다. 그리고, 6면 중 2개의 면에 전극 리드(110), 즉 음극 리드와 양극 리드가 각각 형성될 수 있다. 그리고, 셀 커버(300)는 6면의 배터리 셀(100)에서 전극 리드(110)가 형성된 2면을 제외한 나머지 4면 중 3면의 적어도 일부를 감싸도록 마련된다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 셀 커버(300)에는 버스바 프레임(120)이 결합될 수 있다. 셀 커버(300)에 의해 커버되는 적어도 하나의 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)와 전기적으로 연결되는 버스바를 지지하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 버스바 프레임(120)은 버스바와 전기적으로 연결되는 터미널을 구비할 수 있다.
한편, 변형 실시예로 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200)에는 셀 커버(300)에 형성된 결합돌기(311)에 결합될 수 있는 결합홈(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 배터리 팩(10)의 팩 케이스(200)에는 셀 커버(300)에 형성된 결합홈(321)에 결합될 수 있는 결합돌기(미도시)가 형성될 수 있다. 이에 의해 셀 커버(300)가 팩 케이스(200)에 결합되어 고정되므로, 셀 커버(300)에 감싸여진 배터리 셀(100) 역시 팩 케이스(200)에 충분히 고정될 수 있다. 즉, 결합돌기(311)와 결합홈(321)에 의해 배터리 셀(100)들끼리 결합되어 1차적으로 고정되고, 셀 커버(300)가 팩 케이스(200)에 결합되어 2차적으로 고정되므로 보다 단단하게 고정시킬 수 있는 효과가 있다. 이와 관련하여, 팩 케이스(200)의 결합홈(미도시)은 셀 커버(300)에 형성된 결합돌기(311)에 대응되게 형성되고, 또한, 팩 케이스(200)의 결합돌기(미도시)는 셀 커버(300)에 형성된 결합홈(321)에 대응되게 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 각 실시예에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(20)는 전술한 각 실시예에 따른 배터리 팩(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동차(20)는 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 사용하도록 마련되는 각종 자동차(20)를 포함한다.
본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용된 경우 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상에서 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. 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 : 배터리 팩
100 : 배터리 셀 200 : 팩 케이스
210 : 하부 프레임 220 : 측면 프레임
230 : 상부 커버 300 : 셀 커버
310 : 제1 커버부 311 : 결합돌기
320 : 제2 커버부 321 : 결합홈
330 : 제3 커버부 340 : 개방부
400 : 배터리 관리 시스템 500 : 배터리 차단 유닛
20 : 자동차

Claims (15)

  1. 복수의 파우치형 배터리 셀들;
    내부 공간에 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸서 지지하는 셀 커버를 포함하며,
    복수의 상기 셀 커버 중 어느 하나의 제1 셀 커버와, 이웃하는 다른 하나의 제2 셀 커버는 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버의 일측에는 결합돌기가 형성되고, 상기 셀 커버의 타측에는 결합홈이 형성되며,
    상기 제1 셀 커버의 결합돌기가 상기 제2 셀 커버의 결합홈에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결합돌기와 상기 결합홈은 상기 셀 커버의 하측에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합돌기와 상기 결합홈은 억지 끼움 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 결합돌기와 상기 결합홈의 단면 형상은 사각형인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 결합돌기와 상기 결합홈은 각각 복수개로 구비되며,
    복수개의 상기 결합돌기와 복수개의 상기 결합홈은 각각 상기 셀 커버의 측면에서 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 셀 커버는,
    상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 일 측면을 커버하는 제1 커버부;
    상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 타 측면을 커버하는 제2 커버부; 및
    상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부를 연결하고 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 상단 부분을 커버하는 제3 커버부를 포함하며,
    상기 제1 커버부에 결합돌기가 형성되고, 상기 제2 커버부에 결합홈이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 셀 커버의 상기 제1 커버부에 형성된 결합돌기가 상기 제2 셀 커버의 상기 제2 커버부에 형성된 결합홈에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 결합돌기는 상기 셀 커버의 상기 제1 커버부의 하측으로부터 수평 방향으로 돌출되게 형성되고,
    상기 결합홈은 상기 셀 커버의 상기 제2 커버부의 하측으로부터 상측 방향으로 함몰되게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀은 상기 제1 커버부와 상기 제2 커버부의 내측면에 접착되어 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 복수의 파우치형 배터리 셀들 중 적어도 일부 파우치형 배터리 셀을 기립 상태로 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 내측면에 절연 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 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.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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