KR20240016117A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 일부 배터리 모듈의 발열시 주변 배터리 모듈로 전파를 안정적으로 차단시킬 수 있도록 하는 배터리 팩을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 복수의 셀이 적층되어 있는 셀 적층체를 포함하는 복수의 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 모듈에서 서로 마주보는 2개의 배터리 모듈 사이에 개재되는 격벽을 포함하고, 상기 격벽은 금속 플레이트 안에 일 방향으로 신장하며 양단이 오픈된 중공부가 서로 격리된 채로 다수 개 포함되어 있는 금속 중공 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{Battery pack and vehicle comprising the same}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 2개 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 어느 하나의 배터리 모듈의 발열시 주변 배터리 모듈에 열이 전파되는 것을 차단할 수 있도록 한 배터리 팩에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차에도 관계되어 있다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의해 구동하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 전력 저장 장치 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 셀이 사용됨에 반해, 자동차 등과 같이 중대형 디바이스들에는 고출력 대용량이 필요하다. 따라서, 복수의 셀을 전기적으로 연결한 셀 적층체를 구비하는 배터리 모듈을 구성해야 하며, 통상 직렬 형태로 복수의 배터리 모듈을 연결하고 이를 기능적으로 유지해 주는 BMS(Battery Management System)와 냉각 시스템, BDU(Battery Disconnection Unit), 전기 배선 케이블 등을 포함한 배터리 팩을 구성한다.
최근 전기 자동차 등에 적용되는 배터리 팩의 수요가 증가하고 있다. 이러한 배터리 팩은 다수의 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 있기 때문이다. 따라서, 열폭주와 같은 써멀 이벤트 발생시 배터리 모듈간 화염 전이를 억제하거나 지연시킬 수 있는 수단이 매우 필요한 실정이다.
현재 사용 중인 배터리 팩은 배터리 모듈의 열폭주 전파와 같은 이벤트 발생시 배터리 모듈간 연쇄 반응에 취약한 문제가 있다. 배터리 모듈간 화염 전이를 억제하거나 지연시킬 수 있는 수단이 미비하여 열폭주 전파 연쇄 반응에 따른 배터리 팩 손상이 심화된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열폭주, 화재, 폭발 등에 대한 안전성, 즉 열적 안전성을 높인 배터리 팩을 제공하는 것이다.
특히 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 일부 배터리 모듈의 발열시 주변 배터리 모듈로 전파를 안정적으로 차단시킬 수 있도록 하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 복수의 셀이 적층되어 있는 셀 적층체를 포함하는 복수의 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 모듈에서 서로 마주보는 2개의 배터리 모듈 사이에 개재되는 격벽을 포함하고, 상기 격벽은 금속 플레이트 안에 일 방향으로 신장하며 양단이 오픈된 중공부가 서로 격리된 채로 다수 개 포함되어 있는 금속 중공 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 셀 적층체는 길이 방향 적어도 일측에 전극 리드를 포함하는 복수의 셀이 면대면 적층되어 있는 것이고, 상기 배터리 모듈은 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 구비하며, 상기 격벽이 상기 모듈 케이스와 접촉하게 구성된 것일 수 있다.
이 때, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 길이 방향에 수직인 방향으로 배열되어 있고, 상기 중공부는 상기 길이 방향을 따라 신장하는 것일 수 있다.
상기 모듈 케이스는 상기 모듈 케이스의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트와 바텀 플레이트, 및 상기 모듈 케이스의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 셀 적층체 내의 최외곽의 셀이 상기 사이드 플레이트에 대면하게 배치된 형태로 수납되며, 상기 격벽이 상기 사이드 플레이트와 동일한 면적으로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 금속 중공 소재에서 상기 중공부가 단층으로 포함될 수 있다.
이 때, 상기 금속 중공 소재에서 상기 중공부의 높이는 0.3-2mm이고 상기 중공부 위의 금속 층 두께와 상기 중공부 아래의 금속 층 두께는 0.3-1mm이며, 상기 중공부끼리의 간격이 0.3-2mm일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 금속 중공 소재와 동일한 소재의 제1 판 부재가 상기 배터리 모듈의 상면, 하면 및 측면 중 적어도 어느 한 부분에 추가로 구비되어 있거나, 상기 금속 중공 소재와 동일한 소재의 제2 판 부재가 상기 배터리 모듈의 전면 및 후면 중 적어도 어느 한 부분에 추가로 구비되어 있다.
이 때, 상기 배터리 모듈은 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 구비하며, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재는 상기 모듈 케이스와 접촉하게 구성되며, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재는 접촉하게 되는 상기 모듈 케이스에 대응되는 면적 및 형태로 구비될 수 있다.
하나의 예에서, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재는 상기 모듈 케이스에 접착제로 접착되어 있다.
상기 격벽에서의 중공부의 신장 방향은 상기 제1 판 부재에서의 중공부의 신장 방향과 동일할 수 있다.
상기 셀 적층체는 길이 방향 적어도 일측에 전극 리드를 포함하는 복수의 셀이 면대면 적층되어 있는 것이고, 상기 모듈 케이스는 상기 모듈 케이스의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트와 바텀 플레이트, 및 상기 모듈 케이스의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하고, 상기 셀 적층체 내의 최외곽의 셀이 상기 사이드 플레이트에 대면하게 배치된 형태로 수납되며, 상기 제2 판 부재에서의 중공부의 신장 방향은 상기 전극 리드 각각과 나란할 수 있다.
다른 하나의 예에서, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재의 외주변 상에 다른 부분보다 상대적으로 두께가 얇은 단차부를 포함하고, 서로의 단차부 위에 각자의 단차부가 안착되어 레이저 용접된다.
이 때, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재의 외표면이 평탄하고 상기 단차부는 내측 함몰에 의해 형성된 것일 수 있다.
그리고, 상기 단차부는 상기 중공부를 압착한 구조일 수 있다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 제2 판 부재는 상기 격벽 또는 제1 판 부재의 중공부 내에 삽입되는 돌기를 포함하고 있다.
이 때, 상기 돌기가 상기 중공부마다 삽입되고 상기 제2 판 부재가 상기 격벽 또는 제1 판 부재에 맞닿은 면이 레이저 용접될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중공부에 의해 단열 공기층이 형성될 수 있다.
상기 금속 중공 소재는 압출 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 금속 중공 소재의 표면에 유기물 없이 무기소재로만 이루어진 세라믹 코팅층을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명에 따르면, 중공부를 포함하는 격벽을 통해, 배터리 팩 내 배터리 모듈 간의 열폭주 전이 이벤트 진행 억제 및 지연 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 어느 하나의 배터리 모듈 내에서 열폭주나, 발화, 폭발 등이 발생하더라도 이것이 인접한 다른 배터리 모듈로 전파되지 않는다. 따라서, 복수의 셀들이 연쇄적으로 열폭주, 발화, 또는 폭발하는 일이 없어 2차 열폭주, 2차 화재나 폭발 등이 일어나지 않는다.
따라서, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리 모듈 중, 혹여 일부에서 열폭주, 또는 화재나 폭발이 발생되더라도, 인접한 다른 배터리 모듈로 열폭주나, 화재, 폭발이 전파되지 않을 수 있다. 따라서, 열폭주, 화재, 폭발 등에 대한 안전성, 즉 열적 안전성을 향상시킨 배터리 팩과 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩에 포함될 수 있는 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩에 포함될 수 있는 다른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 분해 사시도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 배터리 팩의 결합 사시도이다.
도 8은 도 7의 B 부분 확대 단면도이다.
도 9는 도 7의 C 부분 확대 단면도이다.
도 10은 도 1의 A-A'선에 따른 다른 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 배터리 팩에 포함될 수 있는 배터리 모듈의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1의 배터리 팩에 포함될 수 있는 다른 배터리 모듈의 분해 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 복수의 배터리 모듈(90)과 격벽(95)을 포함한다. 배터리 팩(300)은 배터리 모듈(90)과 격벽(95)을 수용하기 위한 배터리 팩 케이스를 더 포함할 수 있다. 배터리 모듈(90)은 거의 직육면체 상태를 이루어, 배터리 팩 케이스 안에 정연하게 늘어놓을 수 있다. 이와 같이 배터리 팩(300)은 내부 공간 배터리 모듈(90) 사이에 격벽(95)을 포함함으로써 열폭주 전파 이벤트 발생시 배터리 모듈(90)간 연쇄 반응을 억제할 수 있다. 도 1에서 배터리 모듈(90)은 2개만을 도시하였으나, 배터리 모듈(90)의 개수는 3개 이상일 수 있고, 그러한 경우 격벽(95)은 2개 이상일 수 있다.
도 2와 도 3을 참조하여 배터리 모듈(90)을 더 살펴 보면, 배터리 모듈(90)은 셀 적층체(100)를 포함하며, 추가로 이러한 셀 적층체(100)를 수용할 수 있는 모듈 케이스(200)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(100)는 복수의 셀(110)이 적층되어 있는 것이다. 모듈 케이스(200)는 상기 모듈 케이스(200)의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트(220)와 바텀 플레이트(212), 및 상기 모듈 케이스(200)의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트(214)를 포함한다.
셀 적층체(100)는 넓은 면이 서로 대면하게 적층된 파우치 타입 셀(110)들로 구성된 이차전지들의 집합체일 수 있다. 더 정확히 말하면, 셀 적층체(100)는 셀(110)들이 (Z축 방향을 따라) 수직하게 세워져 (Y축 방향을 따라) 수평 방향으로 적층된 형태로 모듈 케이스(200) 내에 수납되는 이차전지들의 집합체일 수 있다. 파우치 타입 셀(110)들은 크기와 중량에 비해 에너지 밀도가 높으면서 적층이 용이한 장점이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 배터리 팩(300)에 포함되는 배터리 모듈(90)에 포함되는 셀(110)은, 파우치 타입 셀로만 한정되는 것은 아니고 본원 출원 시점에 공지된 다양한 종류의 이차전지가 채용될 수 있다.
모듈 케이스(200)에 포함되는 탑 플레이트(220), 바텀 플레이트(212), 및 사이드 플레이트(214)는 각각 서로 별개의 부품으로 제조되어 용접, 접착 또는 볼트 체결로 연결될 수도 있고, 적어도 일부가 서로 연결된 부품으로 제조되어 연결될 수도 있으며 도 2와 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저 도 2에 도시한 예에서, 바텀 플레이트(212)와 사이드 플레이트(214)가 서로 연결된 형태의 U자형 프레임(210)이 사용되었다. U자형 프레임(210)은 셀 적층체(100)의 하면과 양쪽 측면을 감싸게 되고, 셀 적층체(100)를 수용하면서 상부가 개방된 형태이다. 셀 적층체(100) 내의 최외곽의 셀(110)이 사이드 플레이트(214)에 대면하게 배치된 형태로 수납된다. U자형 프레임(210)은 상부면, 전면 및 후면이 개방되어 있으므로 셀 적층체(100)를 장착할 때에 취급이 용이하고, 배터리 모듈(90) 조립이 용이한 이점을 가진다.
탑 플레이트(220)는 셀 적층체(100)의 상면 상에 위치하여 U자형 프레임(210)과 결합된다. 결합은 용접, 접착 또는 볼트 체결 중 어느 하나에 의할 수 있다. 탑 플레이트(220)는 U자형 프레임(210) 상부에서 셀 적층체(100)를 덮는다.
U자형 프레임(210)의 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, U자형 프레임(210)은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 셀 적층체(100)의 면을 제외하고 나머지 외면들 중에서, 서로 인접한 전면, 하면 및 후면을 연속적으로 감싸도록 폴딩된 판상형 구조로 이루어져 있다. 즉, 판상의 부재의 양단을 수직으로 접어 올려 폴딩한 구조로 되어 있다. U자형 프레임(210)의 하면에 대응하는 상면은 개방되어 있다. 바텀 플레이트(212) 안쪽 면에는 열전도성 수지층(216)이 형성될 수 있다. 모듈 케이스(200) 안에 셀 적층체(100)를 수납한 후 열전도성 수지를 주입하여 모듈 케이스(200) 내부의 공간을 충진할 수도 있다. 이러한 열전도성 수지는 셀(110)로부터 발생되는 열을 배터리 모듈(90) 외부로 발산하는 데에 도움이 된다.
상부 플레이트(220)는 셀 적층체(100)가 U자형 프레임(210)에 의해 감싸지지 않는 상면을 감싸도록 하나의 판상형 구조로 이루어져 있다. U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)는 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 레이저 용접 등에 의해 결합됨으로써 셀 적층체(100)를 감싸는 구조를 형성할 수 있다. 즉, U자형 프레임(210)과 상부 플레이트(220)는 서로 대응하는 모서리 부위에 레이저 용접 등의 결합 방법으로 결합되어 용접부를 형성하고 있을 수 있다. 즉, 사이드 플레이트(214) 상단과 상부 플레이트(220) 가장자리에 용접부가 형성되어 있을 수 있다.
모듈 케이스(200)는 탑 플레이트(220), 바텀 플레이트(212)와 사이드 플레이트(214)에 연결되는 엔드 플레이트(230)를 더 포함할 수 있다. 엔드 플레이트(230)는 셀 적층체(100)의 전후방에서 U자형 프레임(210)과 결합된다. 엔드 플레이트(230)는 탑 플레이트(220)와도 결합될 수 있다. 여기서의 결합도 용접, 접착 또는 볼트 체결 중 어느 하나에 의할 수 있다. 셀 적층체(100)의 전면과 후면에 엔드 플레이트(230)가 각각 위치할 수 있다. 그리고, 배터리 모듈(90)은 셀 적층체(100)와 엔드 플레이트(230) 사이에 위치하는 버스바 프레임(240)을 더 포함할 수도 있다.
다음으로 도 3에 도시한 예에서, 탑 플레이트(220), 바텀 플레이트(212)와 사이드 플레이트(214)가 서로 연결된 형태의 사각관체 모노프레임(210')이 사용될 수도 있다. 모노프레임(210')은 셀 적층체(100)를 수납하며 양측으로 개방되는 개구(O)를 구비하게 된다. 이러한 모노프레임(210')은 매우 단순한 구조이면서 내부에 셀 적층체(100)를 수용하기 적합한 공간 및 형태를 가지며, 개구(O)를 통해 셀 적층체(100)를 밀어 넣기만 하면 되어 취급이 용이하고, 엔드 플레이트(230)를 가지고 개구만 막으면 배터리 모듈(90) 조립을 완료할 수 있기에 조립이 용이한 이점을 가진다. 따라서, 배터리 모듈(90)을 포함하는 배터리 팩의 구조가 복잡해지지 않고 공간을 많이 차지하지 않으면서, 간단하고 콤팩트하고, 배터리 모듈(90)의 조립이 용이하게 수행될 수 있어, 공정성이 우수할 수 있다.
모노프레임(210')의 개구(O)에 의해 개방된 양측을 각각 제1 측과 제2 측이라고 할 때, 모노프레임(210')은 상기 제1 측과 상기 제2 측에 대응하는 셀 적층체(100)의 면을 제외하고 나머지 외면들을 감쌀 수 있다. 즉, 모노프레임은 셀 적층체(100)의 상면, 하면 및 양쪽 측면을 감쌀 수 있다.
모노프레임(210')은 이와 같이 셀 적층체(100)의 사면에 각각 대응되는 4개의 측벽을 포함할 수 있다. 각 측벽은 판상형 구조를 가질 수 있다. 측벽과 측벽 사이는 일체로 형성되어 모노프레임(210')은 하나의 통형 부재일 수 있다. 즉, 모노프레임은 셀 적층체(100)의 사면에 대응되는 4개의 측벽이 일체형으로 형성된 것을 가리킬 수 있다.
모노프레임(210')은 서로 마주하는 방향 양측을 개방하고, 나머지 4면들을 연결하는 사각관체로 형성된다. 2개의 측면과 상면, 하면이 일체화된 형태의 모듈 케이스이다. 따라서, 용접이나 볼팅, 후크 체결 등 별도의 추후 결합 구성을 구비하지 않고, 상부, 하부, 좌측부 및 우측부 모두 전체적으로 일체화된 형태로 구성된다. 측면과 상면, 하면에 별도의 결합 구성이 존재하지 않고 처음부터 일체화된 형태로 형성되므로, 모듈 케이스의 제조 공정이 용이해지고, 제조 시간이 단축되며, 모듈 케이스의 강성이 효과적으로 향상될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 이상 설명한 바와 같은 모듈 케이스(200)는, 종래의 셀 카트리지와 같은 부품을 사용하지 않아도 셀(110)의 고정이 확실하다. 종래처럼 셀 카트리지가 셀의 모서리를 끼워 눌러 고정하는 구조가 아니어도 되므로 전체 배터리 모듈의 설계의 여유도가 증가하며, 기존에 셀의 모서리가 셀 카트리지 내부에 끼워질 때 장착 시 발생할 수 있는 충격이나 진동 등이 셀의 모서리로 전달되는 문제를 해결할 수 있다. 이러한 모듈 케이스(200)를 포함하는 배터리 모듈(90) 및 이를 포함하는 배터리 팩(300)은 외부 진동에 대하여 셀(110)을 보호하는 효과가 탁월하므로 외부 진동에 수시로 노출되는 자동차 등에 적용하기에 유리하다.
본 발명의 실시예에서, 셀 적층체(100)를 구성하는 셀(110)로는, 앞서 언급한 바와 같이 파우치 타입 셀이 적용될 수 있다. 셀(110)이 이처럼 파우치 타입 셀인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀(110)은 전극 조립체(미도시), 파우치 케이스(111), 전극 리드(112) 및 실링 테이프(113)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않으나, 상기 전극 조립체는, 교호적으로 반복 적층된 양극판과 음극판 사이에 세퍼레이터를 개재시킨 형태를 가지며, 양측 최 외각에는 절연을 위해 세퍼레이터가 각각 위치하는 것이 바람직하다.
상기 양극판은, 양극 집전체 및 그 일 면 상에 코팅되는 양극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 양극 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 양극 무지부 영역은 양극탭으로서 기능한다.
상기 음극판은, 음극 집전체 및 그 일 면 또는 양 면 상에 코팅되는 음극 활물질 층으로 이루어지며, 일 측 단부에는 음극 활물질이 코팅되지 않은 음극 무지부 영역이 형성되는데, 이러한 음극 무지부 영역은 음극탭으로서 기능한다.
또한, 상기 세퍼레이터는 양극판과 음극판 사이에 개재되어 서로 다른 극성을 갖는 전극판끼리 직접 접촉되는 것을 방지하되, 양극판과 음극판 사이에서 전해질을 매개체로 하여 이온의 이동이 가능하도록 하기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다.
셀 케이스(111)는 전극 조립체를 수용하는 수용부(111a) 및 수용부(111a)의 둘레 방향으로 연장되어 전극 리드(112)가 외부로 인출된 상태로 열융착되어 실링됨으로써 셀 케이스(111)를 밀봉시키는 실링부(111b), 이렇게 두 영역을 포함한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 셀 케이스(111)는, 수지층/금속층/수지층이 순차적으로 적층된 다층의 파우치 필름으로 이루어진 상부 케이스 및 하부 케이스 각각의 테두리 부분이 맞닿아 열융착됨으로써 밀봉된다. 상부 케이스 및 하부 케이스는 서로 분리된 2매의 시트 혹은 분리되지 않은 1매의 시트를 접은 것으로 되어 있을 수 있다.
한 쌍의 전극 리드(112)는, 각각 양극탭(미도시) 및 음극탭(미도시)과 연결되어 셀 케이스(111)의 외측으로 인출된다. 한 쌍의 전극 리드(112)는 서로 대향하여, 셀(110)의 일단부와 다른 일단부로부터 각각 돌출되어 있는 구조를 가질 수 있다. 셀 케이스(111)에서 전극 리드(112)가 돌출되어 있는 양 단부 사이가 셀(110)의 길이 방향으로 정의될 수 있다(본 실시예에서는 X축 방향). 다른 종류의 파우치 타입 셀에서는 전극 리드가 일측에만 형성될 수도 있다. 이와 같이 셀(110)은 길이 방향 적어도 일측에 전극 리드(112)를 포함할 수 있다.
실링 테이프(113)는, 전극 리드(112)의 둘레에 부착되며, 파우치 케이스(111)의 실링부(111b) 내측면과 전극 리드(112) 사이에 개재된다. 실링 테이프(113)는, 전극 리드(112)의 인출로 인해 실링부(111b)의 밀봉성이 취약해지지 않도록 한다.
복수의 셀(110)은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 Y축 방향으로 적층될 수 있다. 복수의 셀(110)은 면대면 적층될 수 있다. 셀 케이스(111) 표면이 미끄러운 경우 복수의 셀(110)을 적층할 때 외부 충격에 의해 쉽게 미끄러지는 경향이 있다. 따라서, 이를 방지하고 셀(110)들의 안정적인 적층 구조를 유지하기 위해, 셀 케이스(111)의 표면에 양면 테이프 등의 점착식 접착제 또는 접착시 화학 반응에 의해 결합되는 화학 접착제 등의 접착 부재를 부착하여 셀 적층체(100)를 형성할 수 있다. 본 실시예에서 셀 적층체(100)는 Y축 방향으로 적층되고, X축 방향으로 모듈 케이스(200) 내부에 삽입 및 수용되고, 앞서 언급한 열전도성 수지에 의해 냉각이 진행될 수 있다. 셀이 카트리지 형태의 부품에 담겨 적층되는 구조에서는 카트리지 형태의 부품의 존재로 인해 냉각 작용이 거의 없거나 셀의 면 방향으로 진행될 수 있고, 배터리 모듈의 높이 방향으로는 냉각이 잘 되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(90)은 배터리 모듈의 높이 방향(Z축 방향)으로도 냉각이 잘 이루어진다.
셀 적층체(100)가 모듈 케이스(200)에 삽입되기 전에, 모듈 케이스(200)의 내측면, 특히 바텀 플레이트(212)(도면에서 XY 평면에 놓이는 면) 안쪽에 열전도성 수지를 도포하고, 열전도성 수지를 경화하여 수지층을 형성할 수 있다. 열전도성 수지층을 형성하기 이전에, 즉 상기 도포한 열전도성 수지가 경화되기 전에 셀 적층체(100)가 모듈 케이스(200)의 바닥면을 따라 X축 방향으로 이동하면서 모듈 케이스(200) 내부에 장착될 수 있다. 이후 열전도성 수지가 경화되어 형성된 열전도성 수지층은 바텀 플레이트(212) 안쪽과 셀 적층체(100) 사이에 위치한다. 열전도성 수지층은 셀(110)에서 발생하는 열을 배터리 모듈(90) 바닥으로 전달하고 셀 적층체(100)를 고정하는 역할을 할 수 있다. 열전도성 수지층을 통해, 복수의 셀(110)로부터 발생한 열은 바텀 플레이트(212)를 통해 외부로 전달될 수 있다. 열전도성 수지층은 써멀 레진(thermal resin)을 포함할 수 있다. 써멀 레진의 종류에는 제한이 없으며, 예를 들어, 방열 실리콘계 접착제(thermally conductive silicone-based bond), 방열 아크릴 접착제(thermally conductive acrylic bond) 또는 방열 폴리우레탄 접착제(thermally conductive polyurethane bond) 중 어느 하나일 수 있다. 열전도성 수지층으로는 열전도성이 우수하고 접착성을 갖는 우레탄 수지, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등이 채용될 수도 있다. 이러한 재료는 셀(110)들 사이 사이에 스며들어 공기층을 없애 열저항을 감소시키고 또한 접착력이 있어 셀(110)들의 유동을 저지하며 셀 적층체(100)의 하부를 안정적으로 지지할 수 있다. 배터리 모듈(90)은 바텀 플레이트(212)가 히트싱크(미도시)에 접촉되게 히트싱크 위에 배치될 수 있다. 충방전 과정에서 수반되는 셀(110)들의 열은 열전도성 수지층, 바텀 플레이트(212) 그리고 히트싱크를 통해 신속하게 방열될 수 있다.
탑 플레이트(220)와 바텀 플레이트(212), 및 사이드 플레이트(214)는 셀 적층체(100)에서 전극 리드(112)가 형성되어 있지 않은 셀 적층체(100)의 상면, 하면 및 양쪽 측면을 감싸게 된다. 엔드 플레이트(230)는 셀 적층체(100)의 전극 리드(112)와 대향하도록 배치된다. 탑 플레이트(220), 바텀 플레이트(212), 사이드 플레이트(214) 및 엔드 플레이트(230)를 포함하는 이러한 모듈 케이스(200)는 셀(110)들을 내부에 수납할 수 있는 내부 공간을 가지며, 수납된 셀(110)들에 대한 기계적 지지력을 제공하고 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 한다.
본 발명의 배터리 팩(300)은 이러한 배터리 모듈(90)을 복수로 포함하면서 복수의 배터리 모듈(90)에서 서로 마주보는 2개의 배터리 모듈(90) 사이에 도 1과 같이 개재되는 격벽(95)을 포함하도록 개선되어 있다.
이러한 격벽(95)은 모듈 케이스(200)와 접촉하게 구성될 수 있다. 예를 들어 격벽(95)은 모듈 케이스(200)에 접착제에 의한 부착이 될 수 있다. 이러한 경우 배터리 팩(300) 내에서 배터리 모듈(90) 사이에 격벽(95)이 보다 확실하게 고정되어 있을 수 있다. 다른 예를 들어 격벽(95)은 용접이나 볼트 체결 등의 다른 결합 수단에 의해 모듈 케이스(200)에 결합이 되어 있을 수 있다. 볼트 체결로 하는 경우 필요에 따라 격벽(95)과 모듈 케이스(200)간의 결합을 해제할 수 있으니 유지 보수 측면에서 바람직하다.
격벽(95)은 모듈 케이스(200)와 접촉하지 않을 수도 있다. 예를 들어 배터리 팩 케이스 내부에 배터리 모듈(90)과 이격된 형태로 격벽(95)이 지지되어 있을 수 있다. 이 경우 격벽(95)과 모듈 케이스(200) 사이에 공기가 단열층으로 존재하게 될 수 있다.
본 실시예에서 셀 적층체(100) 내의 최외곽의 셀(110)은 사이드 플레이트(214)에 대면하게 배치된 형태로 수납되어 있다. 격벽(95)은 사이드 플레이트(214)와 동일한 면적으로 구비될 수 있다. 이를 통해 격벽(95)은 배터리 모듈(90)간 측면 방향으로의 화염 전이를 확실하게 차단할 수 있다.
도 5는 도 1의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 5를 참조하면, 격벽(95)은 금속 플레이트(222) 안에 일 방향으로 신장하며 양단이 오픈된 중공부(224)가 서로 격리된 채로 다수 개 포함되어 있는 금속 중공 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다. 여기서 금속은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금임이 바람직하다. 이 경우, 강도가 우수하고 가벼운 격벽(95)을 얻을 수 있다.
격벽(95)은 열전도성 소재로 이루어져 배터리 모듈(90)로부터의 열을 흡수해 외부로 발산하는 역할을 할 수 있도록 한다. 금속 플레이트(222)는 금속성으로서 열전도성이 우수하므로 그 전체로서 방열 기능을 수행할 수 있게 된다. 금속 플레이트(222)의 소재는 모든 금속 소재가 가능하지만, 열전도성, 가공성, 비용 등을 고려하였을 때 SUS 계열 또는 알루미늄 계열이 사용되는 것이 바람직하다. 경량화 측면에서 앞서 언급한 바와 같은 알루미늄 계열이 더 유리하다.
본 실시예에서 복수의 배터리 모듈(90)은 상기 길이 방향에 수직인 방향(Y축 방향)으로 배열되어 있고, 배터리 모듈(90)의 사이마다 격벽(95)이 포함되어 있다. 본 실시예에서, 중공부(224)는 상기 길이 방향을 따라 신장하는 것이다. 중공부(224)는 한 쌍의 전극 리드(112)와 나란한 방향으로 신장하게 된다. 중공부(224)는 각 셀(110)에서 상대적으로 발열이 심한 전극 리드(112)의 돌출 방향을 따라 신장하게 되므로 각 셀(110)간의 열 전이를 차단하는 효과가 우수하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 금속 중공 소재에서 중공부(224)는 단층으로 포함될 수 있다. 배터리 팩(300)의 에너지 밀도를 더욱 증가시키려면 격벽(95)의 두께를 감소시킬 필요가 있다. 격벽(95)의 필요 강도를 유지하면서 중공부(224)가 다층으로 포함이 되려면 격벽(95)의 두께가 증가되어야 하므로 단층으로 포함됨이 바람직하다. 중공부(224)에 의해 단열 공기층이 형성될 수 있다. 즉, 중공부(224)는 별도의 냉매나 추가 부재가 채워지지 않는 것이다. 별도의 냉매 순환 수단이나 추가 부재가 필요없이 공기층의 높은 단열성을 이용하는 것이다. 중공부(224)에 의해 냉각을 꾀하는 것이 아니라 열 전이를 차단하는 것이다. 이것에 의해 배터리 모듈(90) 내부에서 온도 변화가 있는 경우에도 외부로의 전열을 차단하고, 그 결과, 이웃하는 배터리 모듈(90)로의 열 전파를 차단하여 연쇄적인 열적 이벤트가 발생하는 것을 방지해 배터리 팩(300)의 안전성을 향상시킬 수가 있다.
이러한 격벽(95)의 단면 구조는 직사각형 중공부(224)가 단층으로 금속 플레이트(222)의 중간에 포함되어 있는 것으로, 중공부(224)의 모양과 중공부(224)간의 간격이 일정하다. 도 5에 나타낸 격벽(95)을 XY 평면에 눕힌 상태에서 살펴 보면, 중공부(224)의 높이(h)는 중공부(224) 위의 금속 층 두께(d1)와 중공부(224) 아래의 금속 층 두께(d2)와 같거나 그보다 크다. 이러한 높이(h)와 두께(d1, d2) 조건은 격벽(95)의 강성은 유지하면서 가능한 중공부(224)가 차지하는 부피를 크게 하여 열 전파 방지를 도모하기에 적합한 것이다.
기존에 알려진 배터리 팩에서는 외부 혹은 내부로 열 전도에 의해 이웃하는 배터리 모듈간 열폭주 확산되는 문제가 있다. 다시 말해 기존의 배터리 팩에서는 배터리 모듈간 열폭주 전파 등의 이벤트 발생시 열전도 및 복사를 막아 주는 구조가 구비되지 않아, 이웃하는 배터리 모듈로 화염이 전이되는 구조이다. 본 발명의 배터리 팩(300)은 2개의 배터리 모듈(90) 사이에 격벽(95)을 포함하도록 변경함으로써 열폭주 전파 등의 이벤트 발생시 화염이 배터리 모듈간 전이되는 것을 방지할 수 있다.
가장 바람직하게, 격벽(95)은 Al 또는 Al 합금인 금속 플레이트(222) 안에 일 방향(본 실시예에서는 길이 방향, X축 방향)으로 신장하며 양단이 오픈된 중공부(224)가 서로 격리된 채로 다수 개 포함되어 있어 단열 공기층을 형성할 수 있는 중공 단면으로 열전도 및 열복사 등 열폭주를 최소화하도록 한 것이라고 정의할 수 있다.
상기 금속 중공 소재는 압출 제조된 것일 수 있다. 판형 부재를 압출할 수 있는 몰드에, 압출하는 동안 중공부를 형성할 수 있도록 하는 돌출부를 추가하여, 금속 소재를 압출하면서 중공부(224)가 포함된 격벽(95)을 제조할 수 있다. 압출 방향을 따라 중공부(224)는 길쭉한 연장 형상을 가지게 되며, 이웃하는 중공부(224)끼리는 압출 방향을 따라 나란하게 형성된다. 메탈 폼과 같이 중공 구조가 무질서하게 존재하는 경우에 비하여, 본 발명에서 이용하려는 상기 금속 중공 소재는 중공 구조의 규칙적인 배열을 가지게 되는 차이가 있고, 중공부(224)의 높이(h)와 중공부(224)끼리의 간격(p) 등을 제어하면서 중공부(224)를 마련할 수 있기 때문에 단열 효과의 정밀한 제어 및 관리가 가능하다.
바람직한 예에 따르면, 상기 금속 중공 소재에서 중공부(224)의 높이(h)는 0.3-2mm이고 중공부(224) 위의 금속 층 두께(d1)와 중공부(224) 아래의 금속 층 두께(d2)는 0.3-1mm이며, 중공부(224)끼리의 간격(p)이 0.3-2mm일 수 있다. 상기 금속 중공 소재의 두께(D)는 1.5-4mm일 수 있다. 중공부(224)의 높이(h)나 중공부(224)끼리의 간격(p)이 0.3mm보다 작으면 중공부(224)의 크기가 너무 작고 간격이 조밀해져 단열 효과를 충분히 발휘하기 어렵다. 중공부(224)의 높이(h)나 중공부(224)끼리의 간격(p)이 2mm보다 크면 주어진 공간 내에 중공부(224)를 최대한 많이 포함하기 위한 측면에서는 바람직하지 않다. 중공부(224) 위의 금속 층 두께(d1)와 중공부(224) 아래의 금속 층 두께(d2)가 0.3mm보다 작으면 격벽(95)을 얇고 가볍게 하면서도 강성을 확보하기 어렵다. 중공부(224) 위의 금속 층 두께(d1)와 중공부(224) 아래의 금속 층 두께(d2)가 1mm보다 크면, 주어진 공간 내에 중공부(224)를 최대한 크게 포함하기 위한 측면에서는 바람직하지 않다. 상기 금속 중공 소재의 두께(D)가 1.5mm보다 작으면 격벽(95) 강성을 확보하기 어렵다. 상기 금속 중공 소재의 두께(D)가 4mm보다 크면 배터리 모듈(90)의 크기가 커지고 중량이 증가하므로 바람직하지 않다.
여기서의 높이(h), 두께(d1, d2, D), 간격(p)은 가변적이다. 높이(h), 두께(d1, d2, D), 간격(p)은 배터리 모듈(90)의 외관 크기가 수백 mm x 수백 mm에 달하는 점에 비하면 매우 작은 수치이다. 모듈 케이스 자체에 유로를 형성하는 경우의 스케일과는 다른 차원임을 이해해야 할 것이다. 그리고, 중공부(224)의 높이(h)와 중공부(224)끼리의 간격(p)이 0.3-2mm임을 감안하면 미세한 중공부(224)가 조밀하게 형성되어 있다고 할 수 있다. 금속 중공 소재의 두께(D)를 1.5-4mm로 하면서 중공부(224)의 높이(h)와 중공부(224)끼리의 간격(p)이 0.3-2mm로 하면 격벽(95)을 얇고 가볍게 하면서도 강성을 확보할 수 있고 주어진 공간 내에 중공부(224)를 가급적 많이 포함하게 되어 단열 효과를 극대화할 수 있다.
배터리 팩(300)의 에너지 밀도를 더욱 증가시키려면 격벽(95)의 두께를 감소시킬 필요가 있지만, 얇은 두께의 금속 중공 소재를 압출 성형하는 경우, 성형 재료의 투입량 대비 인출되어 성형되는 양이 너무 적고, 금속 중공 소재의 두께가 얇아질수록 압출을 위해 인가되는 압력이 증가함에 따라 압출 금형이 손상될 우려가 있다. 또한, 금속 중공 소재의 두께가 얇아질수록 성형품의 형태가 틀어지거나 두께가 균일하지 못한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 모두 고려하여 높이(h), 두께(d1, d2, D), 간격(p)을 정할 수 있다. 압출 제조시의 변수 조절을 통해, 중공부(224)의 높이(h)는 중공부(224) 위의 금속 층 두께(d1)와 중공부(224) 아래의 금속 층 두께(d2)와 같거나 그에 비하여 크게 형성할 수 있고, 중공부(224)끼리의 간격(p)도 매우 조밀하게 형성할 수 있게 된다. 따라서, 단열 효과가 우수하다는 장점이 있다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 배터리 팩(300)에서 서로 마주보는 2개의 배터리 모듈(90) 사이에는 격벽(95)이 포함되어 있다. 이러한 격벽(95)에 의해 인접하는 배터리 모듈(90) 사이의 열폭주 전이 이벤트 진행 억제 및 지연 효과가 있다. 배터리 팩(300) 내 어느 하나의 배터리 모듈(90) 내에서 열폭주나, 발화, 폭발 등이 발생하더라도 이것이 인접한 다른 배터리 모듈(90)로 전파되기 어렵고 바람직하게는 전파되지 않는다. 따라서, 복수의 셀(110)들이 연쇄적으로 열폭주, 발화, 또는 폭발하는 일이 없어 2차 열폭주, 2차 화재나 폭발 등이 일어나지 않는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리 모듈(90) 중, 혹여 일부에서 열폭주, 또는 화재나 폭발이 발생되더라도, 인접한 다른 배터리 모듈(90)로 열폭주나, 화재, 폭발이 전파되지 않거나 지연될 수 있다. 따라서, 열폭주, 화재, 폭발 등에 대한 안전성, 즉 열적 안전성을 향상시킨 배터리 팩(300)을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 나타내는 분해 사시도이다. 도 7은 도 6에 나타낸 배터리 팩의 결합 사시도이다.
도 6 및 도 7에 도시한 배터리 팩(300')은 도 1에 도시한 배터리 팩(300)에 비해, 제1 판 부재(96) 또는 제2 판 부재(97)를 추가로 구비하는 점에서 차이가 있다.
제1 판 부재(96)와 제2 판 부재(97)는 상기 금속 중공 소재와 동일한 소재로 이루어진 것이다. 즉, 금속 플레이트(222) 안에 일 방향으로 신장하며 양단이 오픈된 중공부(224)가 서로 격리된 채로 다수 개 포함되어 있는 소재로 이루어져 있다. 즉, 제1 판 부재(96)와 제2 판 부재(97)의 단면을 보면 도 5에 도시한 것과 동일하게 되어 있다.
제1 판 부재(96)는 배터리 모듈(90)의 상면, 하면 및 측면 중 적어도 어느 한 부분에 추가로 구비될 수 있다. 제2 판 부재(97)는 배터리 모듈(90)의 전면 및 후면 중 적어도 어느 한 부분에 추가로 구비될 수 있다. 도 6에서는 제1 판 부재(96)가 배터리 모듈(90)의 상면, 하면 및 측면에 모두 구비되고, 제2 판 부재(97)가 배터리 모듈(90)의 전면 및 후면에 모두 구비되는 예를 도시하였다.
제1 판 부재(96)는 모듈 케이스(200)의 탑 플레이트(220), 바텀 플레이트(212), 및 사이드 플레이트(214)에 접촉하게 구성될 수 있다. 제2 판 부재(97)는 모듈 케이스(200)의 엔드 플레이트(230)에 접촉하게 구성될 수 있다. 제1 판 부재(96)와 제2 판 부재(97)는 모듈 케이스(200)에 대응되는 면적 및 형태로 구비될 수 있다.
이와 같이 격벽(95)에 부가하여 제1 판 부재(96)나 제2 판 부재(97)를 추가로 구비하면 배터리 팩(300') 외부로의 열 전파 차단 효과가 더욱 증가한다. 특히 본 실시예에서와 같이 제1 판 부재(96)와 제2 판 부재(97)를 빠짐없이 구비하여 배터리 팩(300)의 사방에 제1 판 부재(96)와 제2 판 부재(97)가 구비되도록 하면 배터리 모듈(90)의 상면과 하면과 양쪽 측면에 모두 중공부(224)가 위치하게 된다. 배터리 모듈(90)의 사방에 중공부(224)가 위치하므로 사방으로의 열 전파 차단 효과가 극대화될 수 있다.
격벽(95)에서의 중공부(224)의 신장 방향은 제1 판 부재(96)에서의 중공부(224)의 신장 방향과 동일하다. 셀(110)의 길이 방향을 따라 중공부(224)가 신장하므로 셀(110)에서 발생되는 열을 차단하는 효과가 뛰어나다. 제2 판 부재(97)에서의 중공부(224)의 신장 방향은 전극 리드(112) 각각과 나란하다. 발열이 제일 심할 수 있는 전극 리드(112)와 나란하게 중공부(224)가 신장하므로 제2 판 부재(97)에서의 열 차단 효과를 극대화할 수 있다.
격벽(95)과 마찬가지로, 제1 판 부재(96) 또는 제2 판 부재(97)도 모듈 케이스(200)에 접착제로 접착되어 있을 수 있다. 격벽(95), 제1 판 부재(96), 제2 판 부재(97)를 별개의 부품으로 마련하여 필요한 부분에 개별적으로 접착할 수 있으므로 필요한 설계에 따라 자유도가 증가하는 이점이 있다.
격벽(95)과 제1 판 부재(96) 사이, 그리고 격벽(95)과 제2 판 부재(97) 사이는 용접으로 결합될 수도 있다. 격벽(95), 제1 판 부재(96), 제2 판 부재(97)가 금속 소재이므로 용접으로 결합하기에 용이하다. 예를 들어 격벽(95)과 제1 판 부재(96) 사이, 그리고 격벽(95)과 제2 판 부재(97) 사이는 단순 맞대기 용접에 의해 용접부를 형성할 수 있다. 다른 예로, 도 8에 상세히 도시한 바와 같이 단차부를 형성한 다음에 용접할 수도 있다. 도 8은 도 7의 B 부분 확대 단면도이다.
도 8을 참조하면, 격벽(95)은 외주변 상에 다른 부분보다 상대적으로 두께가 얇은 단차부(95a)를 포함하고 있다. 단차부(95a)는 격벽(95)의 가장자리에 마련될 수 있다. 제1 판 부재(96)는 외주변 상에 다른 부분보다 상대적으로 두께가 얇은 단차부(96a)를 포함하고 있다. 단차부(96a)는 제1 판 부재(96)의 가장자리에 마련될 수 있다. 격벽(95)과 제1 판 부재(96)의 외표면은 평탄하고 단차부(95a, 96a)는 내측 함몰에 의해 형성될 수 있다.
바람직하기로, 단차부(95a, 96a)는 중공부(224)를 압착한 구조이다. 그러한 경우, 단차부(95a, 96a)는 상기 금속 중공 소재에서 중공부(224)의 높이(h)만큼을 제한 두께를 가지게 됨에 따라, 단차부(95a, 96a)는 다른 부분보다 두께가 중공부(224)의 높이(h)인 0.3-2mm 만큼 얇을 수 있다. 중공부(224)는 찌그러뜨리는 힘이 크지 않아도 쉽게 찌그러뜨릴 수 있기 때문에 압착 가공을 통하여 단차부(95a, 96a)를 쉽고 정밀하게 형성할 수 있다.
제1 판 부재(96)의 단차부(96a)는 격벽(95)의 단차부(95a)에 안착될 수 있다. 제1 판 부재(96)의 단차부(96a)가 격벽(95)의 상단과 맞닿는 부분이 레이저 용접될 수 있다. 즉, 중공부(224)를 압착해 찌그러뜨린 다음에 해당 부분을 용접해 용접부(CP)를 형성할 수가 있다. 단차부(95a, 96a)를 적용함으로써 용접 면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 용접에 따른 결합력이 증가될 수 있다. 얇은 두께의 격벽(95)과 제1 판 부재(96)를 적용하더라도 적절한 강성 확보가 가능하기에, 제품 수율 증대 및 에너지 밀도가 향상된 배터리 팩(300')을 제공할 수 있다.
제1 판 부재(96)의 단차부(96a)의 폭(W)은 격벽(95)의 상단 두께(L)보다 클 수 있다. 이에 따라, 외력에 대한 내구성이 강화될 수 있으며, 레이저 용접시 레이저 빔의 내부 침투 차단 등의 효과를 달성할 수 있다. 레이저 빔이 격벽(95)의 측벽을 지나 내부로 투과되는 경우, 모듈 케이스(200)나 그 내부의 셀 적층체(100) 및 기타 내부 구조물이 손상될 수 있다. 본 발명에 따르면, 단차부(95a, 96a)를 적절히 설계함으로써 레이저 빔이 내부로 투과되는 것을 차단해, 배터리 팩(300')의 생산성을 향상시킬 수 있다.
따로 도면으로 도시하여 설명하지는 않지만 제2 판 부재(97)와 격벽(95)의 용접 결합시에도 앞서 설명한 바와 같은 단차부 구조를 이용할 수 있다. 한편, 격벽(95)과 제2 판 부재(97)의 결합은 단차부를 가지는 대신 다른 양태를 가질 수 있다. 도 9는 도 7의 C 부분 확대 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에서, 제2 판 부재(97)는 격벽(95)의 중공부(224) 내에 삽입되는 돌기(232)를 포함하고 있다. 돌기(232)는 중공부(224)에 대응되는 형상일 수 있다. 예를 들어, 중공부(224)가 단면이 직사각형이면, 돌기(232)는 직육면체 기둥 모양일 수 있다. 다른 예로, 중공부(224)가 단면이 원형이면, 돌기(232)는 원기둥 모양일 수 있다. 돌기(232)가 중공부(224)마다 삽입되고 제2 판 부재(97)가 격벽(95)에 맞닿은 면이 레이저 용접될 수 있다. 격벽(95)은 중공부(224)를 가진 것이다. 이러한 중공부(224) 주변의 살 두께 보완을 위해 제2 판 부재(97) 용접부에 돌기(232)를 추가하여, 중공부(224)에 돌기(232)를 매칭해 용접 강성을 확보할 수 있다. 격벽(95)에 포함되어 있는 양단이 오픈된 중공부(224)는, 이러한 제2 판 부재(97)에 의해 양단이 폐쇄되어 있을 수 있다. 따라서, 중공부(224)에는 단열 공기층이 유지되고, 외부에서 중공부(224) 내로의 이물 침입은 차단될 수 있다.
따로 도면으로 도시하여 설명하지는 않지만 제2 판 부재(97)와 제1 판 부재(96)의 결합시에도 앞서 설명한 바와 같은 돌기(232) 구조를 이용할 수 있다. 즉, 제2 판 부재(97)는 제1 판 부재(96)의 중공부(224) 내에 삽입되는 돌기(232)를 포함할 수 있으며, 이러한 돌기(232)가 중공부(224)마다 삽입되고 제2 판 부재(97)가 제1 판 부재(96)에 맞닿은 면이 레이저 용접될 수 있다.
도 10은 도 1의 A-A'선에 따른 다른 단면도이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 금속 중공 소재의 표면에 유기물 없이 무기소재로만 이루어진 세라믹 코팅층(226)을 더 포함할 수 있다. 세라믹 코팅층(226)은 상기 금속 중공 소재의 일 표면, 예를 들면 외측에만 형성되어 있을 수도 있고, 양 표면, 예를 들면 외측과 내측 모두에 형성되어 있을 수 있다.
세라믹 코팅층(226)은 내화 코팅이다. 기존에 알려진 세라믹 코팅은 유기물(예를 들어 불소수지)에 세라믹이 일부 첨가제 형태로 들어가는 것을 코팅하는 것이다. 본 발명에서는 유기물이 없고 세라믹이 주원료라서 친환경이고 고성능인 세라믹 코팅층(226)을 이용하도록 한다. 세라믹 코팅층(226)은 세라믹 분말이 포함된 코팅제를 도포하여 자연 경화 혹은 200℃ 내외 저온 경화시켜 형성할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 배터리 팩(300)에서 격벽(95)의 외벽 또는 내벽에 내화 코팅층을 더 포함하게 되며, 이러한 내화 코팅층은 도포 경화된 친환경 세라믹 코팅층(226)이라는 것이다.
코팅제는 알루미나, 실리카 등의 세라믹 미분말과 물, 무기 분산제 등을 배합하여 슬러리화한 것일 수 있다. 유리질을 형성할 수 있도록 하는 무기산화물(K2O, BaO 등)도 더 포함할 수 있다. 하지만 이 슬러리는 유기용제 및 유기결합제를 함유하지 않는다. 유기용제 및 유기결합제를 함유하는 경우 내열성이 낮고, 코팅 형성 후 시간이 지남에 따라 변질된다. 본 발명에서는, 이러한 슬러리 타입 코팅제를 금속 중공 소재의 표면에 도포하고 경화시켜 세라믹 코팅층(226)을 형성할 수 있다. 도포는 딥코팅법(dip coating), 스핀 코팅법(spin coating), 스프레이 용사 코팅법(spray coating), 브러시법(brushing) 등 어떠한 방법으로 해도 무방하다. 이러한 슬러리 타입 코팅제는 금속에 직접 코팅하여 저온 융착이 가능하며, 친환경적이고 인체에 무해하며, 내부식성, 내마모성 및 부착성이 우수하다.
세라믹 코팅층(226)은 1000℃ 이상의 화염을 차단할 수 있다. 이에 따라 이웃하는 배터리 모듈(90)로의 화염 전파를 차단할 수 있다. 또한, 세라믹 코팅층(226)은 이를 포함하는 배터리 팩(300)의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
앞에서 설명한 배터리 팩(300, 300')은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 이러한 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단이 대표적이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 이러한 배터리 팩(300)은 전기 자동차용 배터리 팩으로 활용되기 적합하다. 또한, 전력 저장 장치(ESS)의 에너지원으로 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(300, 300')은, 배터리 모듈(90)의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다. BMS는 배터리 팩(300, 300') 내의 셀들의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(300, 300')을 관리한다. 예컨대, 배터리 팩(300, 300')의 SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 팩(300, 300') 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 팩(300, 300')의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 팩(300, 300')의 교체 시기 추정도 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 도시하는 개략적인 도면이다.
바람직하게, 자동차(400)는 전기 자동차일 수 있다. 배터리 팩(300)은 자동차(400) 내의 소정의 위치에 배설될 수 있다. 배터리 팩(300) 대신에 배터리 팩(300')이 배설될 수도 있다. 배터리 팩(300)은 전기 자동차의 모터에 구동력을 제공하여 자동차(400)를 구동시키는 전기 에너지원으로 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(300)은 100V 이상의 높은 공칭 전압을 가진다.
배터리 팩(300)은 모터 및/또는 내연 기관의 구동에 따라 인버터에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 브레이크(brake)와 결합된 회생충전 장치에 의해 충전될 수 있다. 배터리 팩(300)은 인버터를 통해 자동차(400)의 모터에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 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 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
90: 배터리 모듈 95: 격벽
96: 제1 판 부재 97: 제2 판 부재
100: 셀 적층체 110: 셀
111: 셀 케이스 111a: 수용부
111b: 실링부 112: 전극 리드
113: 실링 테이프 200: 모듈 케이스
210: U자형 프레임 210': 모노 프레임
212: 바텀 플레이트 214: 사이드 플레이트
220: 탑 플레이트 222: 금속 플레이트
224: 중공부 230: 엔드 플레이트
232: 돌기 240: 버스바 프레임
CP: 용접부 300, 300': 배터리 팩
400: 자동차

Claims (20)

  1. 복수의 셀이 적층되어 있는 셀 적층체를 포함하는 복수의 배터리 모듈; 및
    상기 복수의 배터리 모듈에서 서로 마주보는 2개의 배터리 모듈 사이에 개재되는 격벽을 포함하고,
    상기 격벽은 금속 플레이트 안에 일 방향으로 신장하며 양단이 오픈된 중공부가 서로 격리된 채로 다수 개 포함되어 있는 금속 중공 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 적층체는 길이 방향 적어도 일측에 전극 리드를 포함하는 복수의 셀이 면대면 적층되어 있는 것이고,
    상기 배터리 모듈은 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 구비하며,
    상기 격벽이 상기 모듈 케이스와 접촉하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 길이 방향에 수직인 방향으로 배열되어 있고, 상기 중공부는 상기 길이 방향을 따라 신장하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서, 상기 모듈 케이스는 상기 모듈 케이스의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트와 바텀 플레이트, 및 상기 모듈 케이스의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하고,
    상기 셀 적층체 내의 최외곽의 셀이 상기 사이드 플레이트에 대면하게 배치된 형태로 수납되며,
    상기 격벽이 상기 사이드 플레이트와 동일한 면적으로 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 중공 소재에서 상기 중공부가 단층으로 포함된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금속 중공 소재에서 상기 중공부의 높이는 0.3-2mm이고 상기 중공부 위의 금속 층 두께와 상기 중공부 아래의 금속 층 두께는 0.3-1mm이며, 상기 중공부끼리의 간격이 0.3-2mm인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속 중공 소재와 동일한 소재의 제1 판 부재가 상기 배터리 모듈의 상면, 하면 및 측면 중 적어도 어느 한 부분에 추가로 구비되어 있거나, 상기 금속 중공 소재와 동일한 소재의 제2 판 부재가 상기 배터리 모듈의 전면 및 후면 중 적어도 어느 한 부분에 추가로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서, 상기 배터리 모듈은 상기 셀 적층체를 수용하는 모듈 케이스를 구비하며,
    상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재는 상기 모듈 케이스와 접촉하게 구성되며, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재는 접촉하게 되는 상기 모듈 케이스에 대응되는 면적 및 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재는 상기 모듈 케이스에 접착제로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서, 상기 격벽에서의 중공부의 신장 방향은 상기 제1 판 부재에서의 중공부의 신장 방향과 동일한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제8항에 있어서, 상기 셀 적층체는 길이 방향 적어도 일측에 전극 리드를 포함하는 복수의 셀이 면대면 적층되어 있는 것이고,
    상기 모듈 케이스는 상기 모듈 케이스의 상부와 하부를 각각 형성하는 탑 플레이트와 바텀 플레이트, 및 상기 모듈 케이스의 좌측편과 우측편을 각각 형성하는 한 쌍의 사이드 플레이트를 포함하고,
    상기 셀 적층체 내의 최외곽의 셀이 상기 사이드 플레이트에 대면하게 배치된 형태로 수납되며,
    상기 제2 판 부재에서의 중공부의 신장 방향은 상기 전극 리드 각각과 나란한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제7항에 있어서, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재의 외주변 상에 다른 부분보다 상대적으로 두께가 얇은 단차부를 포함하고, 서로의 단차부 위에 각자의 단차부가 안착되어 레이저 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서, 상기 격벽, 제1 판 부재 또는 제2 판 부재의 외표면이 평탄하고 상기 단차부는 내측 함몰에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제12항에 있어서, 상기 단차부는 상기 중공부를 압착한 구조인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제7항에 있어서, 상기 제2 판 부재는 상기 격벽 또는 제1 판 부재의 중공부 내에 삽입되는 돌기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제15항에 있어서, 상기 돌기가 상기 중공부마다 삽입되고 상기 제2 판 부재가 상기 격벽 또는 제1 판 부재에 맞닿은 면이 레이저 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항에 있어서, 상기 중공부에 의해 단열 공기층이 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 제1항에 있어서, 상기 금속 중공 소재는 압출 제조된 것임을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 제1항에 있어서, 상기 금속 중공 소재의 표면에 유기물 없이 무기소재로만 이루어진 세라믹 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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