KR20240019677A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20240019677A
KR20240019677A KR1020230035431A KR20230035431A KR20240019677A KR 20240019677 A KR20240019677 A KR 20240019677A KR 1020230035431 A KR1020230035431 A KR 1020230035431A KR 20230035431 A KR20230035431 A KR 20230035431A KR 20240019677 A KR20240019677 A KR 20240019677A
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허남훈
이형석
신주환
양창현
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

개시되는 발명은 팩 케이스에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 횡으로 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔, 및 상기 하부 크로스 빔에 결합하는 상부 크로스 빔을 포함한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀 적층체나 배터리 모듈을 용접 비드의 간섭 없이 격벽에 밀착 설치할 수 있는 구조의 배터리 팩에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 셀 적층체를 직접 배터리 팩에 설치하는 셀투팩(CTP, Cell to Pack) 구조에 적합한 배터리 팩을 제공한다.
종래에는 복수의 셀 적층체를 모듈 하우징에 수용한 배터리 모듈 복수 개를 팩 케이스에 수용하는 구조로서 배터리 팩을 제조하였다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 팩은 써멀레진(Thermal Resin)이 셀 적층체와 모듈 하우징 사이, 그리고 모듈 하우징과 팩 케이스 사이에 2차례나 도포됨으로써 제조비용이 상승하는 반면 냉각성능은 저하되었다. 그리고, 배터리 모듈을 구성하기 위한 모듈 부품 및 팩 케이스 장착에 요구되는 추가적인 부품이 필요하여 부품비용이 증가하였다. 또한, 배터리 모듈을 구획하는 격벽을 팩 케이스에 용접함에 있어서, 격벽에 발생한 용접 비드로 인해 모듈 하우징을 격벽에 밀착 설치할 수 없게 되고, 이 때문에 팩 케이스의 공간 활용률이 떨어지고 배터리 팩의 에너지 밀도가 감소하였다.
셀투팩 구조의 배터리 팩을 구현하기 위해 모듈 하우징을 제거하고 셀 적층체를 직접 팩 케이스에 장착하는 간소화된 구조에 있어서도, 격벽의 용접 비드에 의해 셀 적층체가 간섭되는 문제는 여전히 남게 된다.
또한, 모듈 하우징 없이 셀 적층체를 격벽 사이에 설치할 경우, 복수의 셀 적층체를 한 번에 잡아서 격벽 안으로 넣어주는 로딩지그를 사용하는 것이 생산성 측면에서 매우 유리한데, 고중량의 셀 적층체 집단을 안정적으로 이송하기 위해 셀 적층체 깊숙히 파지한 로딩지그와 격벽 사이의 간섭으로 인해 다수의 셀 적층체를 팩 케이스에 한 번에 설치하기가 곤란하였다.
따라서, 배터리 팩의 구조를 간소화할 수 있고, 용접 비드의 간섭을 배제하여 공간 활용률과 에너지 밀도를 향상할 수 있으며, 셀 적층체의 팩 케이스 설치가 용이한 기술의 개발이 요망된다.
한국공개특허 제10-2022-0102484호(2022.07.20 공개)
본 발명은 크로스 빔을 베이스 플레이트에 결합하는 용접 작업을 용이하게 수행할 수 있고, 복수의 셀 적층체에 균일한 면압을 가할 수 있으며, 다수의 셀 적층체를 일체로 취급하는 로딩지그가 크로스 빔의 간섭 없이 안정적으로 작업을 수행할 수 있는 팩 케이스를 제공하는데 하나의 목적이 있다.
또한, 본 발명은 크로스 빔을 베이스 플레이트에 용접할 때 불가피하게 발생하는 용접 비드에 의하여 셀 적층체가 간섭되는 문제를 해결할 수 있는 팩 케이스를 제공하는데 또 하나의 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 팩 케이스에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 횡으로 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔, 및 상기 하부 크로스 빔에 결합하는 상부 크로스 빔을 포함한다.
상기 하부 크로스 빔에 대해 상기 상부 크로스 빔이 상방 결합하여 하나의 크로스 빔을 형성한다.
일 실시형태에서, 상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 종으로 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 센터 빔을 포함하고, 상기 하부 및 상부 크로스 빔은 상기 센터 빔에 의해 분할된 각 수용공간을 횡으로 구획할 수 있다.
그리고, 상기 하부 크로스 빔은 상기 상부 크로스 빔의 결합 방향에 대해 오목부와 돌출부가 반복된 제1 요철구조를 구비하고, 상기 상부 크로스 빔은 상기 제1 요철구조에 상보하는 형태의 제2 요철구조를 구비할 수 있다.
상기 하부 크로스 빔은 상기 베이스 플레이트에 대해 용접으로 결합하고, 상기 상부 크로스 빔은 상기 하부 크로스 빔에 대해 볼트로 결합할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 하부 크로스 빔과 상부 크로스 빔은 서로 이종재질로 이루어지고, 상기 상부 크로스 빔은 상기 하부 크로스 빔보다 경량 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 하부 크로스 빔은, 상기 베이스 플레이트와의 경계 상에 적어도 하나 이상의 오목한 용접홈을 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 용접홈은, 상기 하부 크로스 빔의 양측으로 구비될 수 있다.
상기 하부 크로스 빔의 양측으로 구비되는 각 용접홈은, 서로 대면하는 방향을 따라 적어도 일부분이 중첩되지 않도록 분산 배치될 수 있다.
그리고, 상기 하부 크로스 빔은 상기 용접홈을 통해 상기 베이스 플레이트에 대해 용접되고, 상기 용접홈 안에 형성된 용접 비드는 상기 하부 크로스 빔 외부로 돌출되지 않을 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 구성을 구비한 팩 케이스, 및 상기 팩 케이스의 분할된 수용공간에 장착되는 복수의 셀 적층체를 포함하는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
상기 하부 및 상부 크로스 빔과, 상기 셀 적층체의 접촉면 사이에는 절연시트 또는 압축패드가 개재될 수 있다.
이러한 배터리 팩은, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔을 구비하는 팩 케이스를 준비하는 제1 단계와, 상기 하부 크로스 빔으로 구획된 수용공간 안에 복수의 셀 적층체를 안착하는 제2 단계와, 상기 복수의 셀 적층체가 안착된 상기 하부 크로스 빔에 대해 상부 크로스 빔을 결합하는 제3 단계, 및 상기 제2 및 제3 단계를 반복하여 모든 수용공간 안에 복수의 셀 적층체을 장착하는 제4 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 제조방법은, 상기 제1 단계는 상기 하부 크로스 빔이 상기 상부 크로스 빔의 결합 방향에 대해 오목부와 돌출부가 반복된 제1 요철구조를 구비하는 팩 케이스를 준비하는 단계이고, 상기 제2 단계는 복수의 셀 적층체를 일체로서 파지하는 그리퍼를 구비하는 로딩지그를 이용하여 복수의 셀 적층체를 상기 하부 크로스 빔으로 구획된 수용공간 안에 안착하는 단계로서, 상기 그리퍼는 상기 제1 요철구조의 오목부 안으로 진입하여 파지한 복수의 셀 적층체를 상기 베이스 플레이트 위에 안착시키는, 제조방법일 수 있다.
그리고, 상기 제2 단계는, 상기 로딩지그의 그리퍼가 상기 복수의 셀 적층체를 일체로 파지한 상태에서 상기 베이스 플레이트 위에 안착시키고, 상기 그리퍼의 파지를 해제한 후 상기 하부 크로스 빔의 상방으로 그대로 이탈하는 단계일 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 팩 케이스는, 하나의 크로스 빔이 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔과, 하부 크로스 빔에 대해 상방 결합하는 상부 크로스 빔의 이층구조로 이루어져 있다. 크로스 빔이 이층 결합구조로 이루어짐으로써, 용접툴 팁의 접근성이 개선되어 베이스 플레이트에 대한 하부 크로스 빔의 용접 작업이 용이해지고, 상부 크로스 빔을 조립하기 전에 복수의 셀 적층체를 팩 케이스 안에 안착함으로써 로딩지그의 작업성이 향상된다.
또한, 크로스 빔을 이층구조로 구성함으로써, 베이스 플레이트에 대한 용접작업이 수반되지 않는 상부 크로스 빔을 경량의 이종 재료, 예를 들어 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성함으로써, 배터리 팩의 경량화에 기여할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시형태에 따라 하부 크로스 빔이 제1 요철구조를 구비함으로써, 로딩지그의 그리퍼는 하부 크로스 빔에 간섭을 일으킴이 없이 견고하게 셀 적층체를 파지하여 진입할 수 있게 되고, 또한 셀 적층체를 충격 없이 안정적으로 베이스 플레이트 위에 올려놓을 수 있게 된다.
다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 기술적 효과는 상술한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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 실시형태에 따른 팩 케이스에 대한 사시도.
도 2는 도 1의 팩 케이스에서 상부 크로스 빔을 분리한 상태를 도시한 사시도.
도 3은 하부 및 상부 크로스 빔의 결합 구조를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 "A-A" 선을 따라 절개한 단면도.
도 5는 베이스 플레이트에 대한 하부 크로스 빔의 용접 구조를 도시한 사시도.
도 6은 베이스 플레이트에 대한 하부 크로스 빔의 용접 지점을 도시한 평면도.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩에 대한 사시도.
도 8은 도 7의 "B-B" 선을 따라 절개한 단면도.
도 9는 복수의 셀 적층체를 파지한 로딩지그의 그리퍼가 하부 크로스 빔으로 진입하는 일 실시형태를 도시한 사시도.
도 10은 도 9의 로딩지그가 하부 크로스 빔으로 진입한 상태를 도시한 단면도.
도 11은 복수의 셀 적층체를 안착한 후의 로딩지그의 이탈 과정을 도시한 단면도.
도 12는 로딩지그의 이탈 후 상부 크로스 빔을 체결한 상태를 도시한 단면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 팩 케이스에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트와, 상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 횡으로 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔, 및 상기 하부 크로스 빔에 결합하는 상부 크로스 빔을 포함한다.
그리고, 상기 하부 크로스 빔에 대해 상기 상부 크로스 빔이 상방 결합하여 하나의 크로스 빔을 형성한다.
이와 같이, 본 발명의 팩 케이스는, 하나의 크로스 빔이 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔과, 하부 크로스 빔에 대해 상방 결합하는 상부 크로스 빔의 이층구조로 이루어져 있다. 크로스 빔이 이층 결합구조로 이루어짐으로써, 용접툴 팁의 접근성이 개선되어 베이스 플레이트에 대한 하부 크로스 빔의 용접 작업이 용이해지고, 상부 크로스 빔을 조립하기 전에 복수의 셀 적층체를 팩 케이스 안에 안착함으로써 로딩지그의 작업성이 향상된다.
또한, 크로스 빔을 이층구조로 구성함으로써, 베이스 플레이트에 대한 용접작업이 수반되지 않는 상부 크로스 빔을 경량의 이종 재료, 예를 들어 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성함으로써, 배터리 팩의 경량화에 기여할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 팩 케이스(100), 그리고 이를 포함하는 배터리 팩(200)에 대한 구체적인 실시형태를 상세히 설명한다. 참고로, 이하의 설명에서 사용되는 상대적인 위치를 지정하는 전후나 상하좌우의 방향은 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 특별한 정의가 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 삼는다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 팩 케이스(100)에 대한 사시도, 그리고 도 2는 도 1의 팩 케이스(100)에서 상부 크로스 빔(136)을 분리한 상태를 도시한 사시도로서, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 팩 케이스(100)의 전체적인 구성에 대해 설명한다.
본 발명은 다수의 셀 적층체(210)를 균등하게 분할 수용하는 팩 케이스(100)에 관한 것이다. 셀 적층체(210)는 이차전지로서의 충방전이 가능한 하나의 완성된 전지 셀로서, 본 명세서에서는 파우치형 전지나 각형 전지 등의 외형적 구별에 상관 없는 포괄적인 의미로 사용된다. 또한, 복수의 셀 적층체(210)가 하나의 하우징에 수납된 배터리 모듈을 구성하여 팩 케이스(100)에 장착되는 것을 배제하는 것은 아니지만, 특히 본 발명의 팩 케이스(100)는 모듈 하우징 등의 각종 모듈 부품을 사용하지 않는 셀투팩 구조에 적합한 것임을 고려하여, 도면상에서 다수의 셀 적층체(210)가 파우치형 전지의 단순 집합으로 도시되어 있다.
도시된 팩 케이스(100)는 베이스 플레이트(110)와, 베이스 플레이트(110)의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트(120)를 포함하고 있다. 그리고, 베이스 플레이트(110) 안쪽의 수용공간을 구획하는 격벽부재로서, 도면을 기준으로, 횡 방향으로 베이스 플레이트(110)에 결합하는 크로스 빔(130)을 구비하고 있다. 여기서, 본 발명의 팩 케이스(100)는 베이스 플레이트(110) 안쪽의 수용공간을 종으로 구획하도록 베이스 플레이트(110)에 결합하는 센터 빔(140)을 포함할 수 있는데, 이 경우 크로스 빔(130)은 센터 빔(140)에 의해 분할된 각 수용공간을 횡으로 구획하게 된다.
도 2를 참조하면, 크로스 빔(130)은, 베이스 플레이트(110) 안쪽의 수용공간을 횡으로 구획하도록 베이스 플레이트(110)에 직접 결합하는 하부 크로스 빔(132)과, 하부 크로스 빔(132)에 결합하는 상부 크로스 빔(136)의 두 개로 구성되어 있다. 하부 크로스 빔(132)에 대해 상부 크로스 빔(136)이 상방 결합, 다시 말해 하부 크로스 빔(132) 위쪽에서 상부 크로스 빔(136)이 포개지도록 정렬된 상태에서 상호 결합함으로써 하나의 크로스 빔(130)을 형성하는 이층구조로 이루어져 있다.
이처럼 하나의 크로스 빔(130)을 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)으로 분할된 이층구조를 이룸에 따라, 본 발명의 팩 케이스(100)는 많은 이점을 가지게 된다. 예를 들어, 베이스 플레이트(110)에는 하부 크로스 빔(132)만 접합하면 되므로, 크로스 빔(130)의 높이가 낮아진만큼 용접툴 팁의 접근성이 개선되어 하부 크로스 빔(132)에 대한 용접 작업이 용이해진다. 그리고, 상부 크로스 빔(136)을 조립하기 전에 복수의 셀 적층체(210)를 팩 케이스(100) 안에 탑재할 수 있어 크로스 빔(130)에 대한 간섭의 문제가 해결되므로, 복수의 셀 적층체(210)를 한 번에 취급하는 로딩지그(300)의 작업성이 향상된다.
또한, 크로스 빔(130)을 이층구조로 구성함으로써, 베이스 플레이트(110)에 대한 용접작업이 수반되지 않는 상부 크로스 빔(136)을 경량의 이종재질, 예를 들어 하부 크로스 빔(132)은 용접이 가능한 스테인리스스틸 등의 금속재질로 하면서 상부 크로스 빔(136)은 이보다 경량인 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성함으로써, 배터리 팩(200)의 경량화에 기여할 수 있다
도 3은 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)의 결합 구조에 대한 일 실시형태를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 "A-A" 선을 따라 절개한 단면도이다. 도시된 실시형태에 따르면, 하부 크로스 빔(132)은 상부 크로스 빔(136)의 상방 결합 방향에 대해 오목부(133-1)와 돌출부(133-2)가 반복된 제1 요철구조(133)를 구비하고, 이에 대응하여 상부 크로스 빔(136)은 제1 요철구조(133)에 상보하는 형태의 제2 요철구조(137)를 구비하고 있다.
여기서, 제1 요철구조(133)와 제2 요철구조(137)가 상보하는 형태를 가진다 함은, 제1 요철구조(133)의 오목부(133-1)와 제2 요철구조(137)의 돌출부(137-2), 그리고 제1 요철구조(133)의 돌출부(133-2)와 제2 요철구조(137)의 오목부(137-1)가 서로 마주보는 일종의 치합 구조를 이루고 있음을 의미하는 것이다. 상보하는 요철구조(133, 137)에 의해, 하부 크로스 빔(132)에 대한 상부 크로스 빔(136)의 결합 위치가 하나로 정해짐으로써 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)의 정렬이 정확이 이루어지고, 이로써 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)의 가조립 상태에서 볼트(138)로 체결하는 작업이 용이해진다. 또한, 후술할 바와 같이, 하부 크로스 빔(132)의 제1 요철구조(133)는 로딩지그(300)와의 간섭을 회피하는데도 유리하게 활용된다.
전술한 바와 같이, 하부 크로스 빔(132)은 베이스 플레이트(110)에 대해 용접으로 결합하고, 상부 크로스 빔(136)은 하부 크로스 빔(132)에 대해 볼트(138)로 결합할 수 있으며, 이러한 분리된 이층결합 구조에 의해, 상부 크로스 빔(136)을 경량의 이종재질로 만드는 것이 가능해진다. 도 3을 참조하면, 볼트(138)의 유효한 나사체결 깊이를 고려할 때, 상부 크로스 빔(136)에서 하부 크로스 빔(132)으로의 접근경로가 짧은 것이 유리하므로, 제2 요철구조(137)의 오목부(137-1)가 제1 요철구조(133)의 볼록부에 결속하는 영역에서 볼트(138) 체결이 이루어지도록 되어 있다.
그리고, 도 4를 보면, 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)은 기본적으로 중공 구조를 이루고 있으며, 강성보강을 위해 양 측벽을 연결하는 리브 구조를 구비하고 있다. 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)의 중공 구조를 통해 경량화를 이룰 수 있으며, 또한 팩 케이스(100) 내의 어느 셀 적층체(210)에서 발생한 열이 전도의 형태로서 크로스 빔(130)을 사이에 둔 다른 셀 적층체(210)로 이동하는 것을 억제함으로써 열 폭주로 인한 열전파를 지연시키는데에도 유리하게 작용한다.
[제2 실시형태]
도 5는 베이스 플레이트(110)에 대한 하부 크로스 빔(132)의 용접 구조를 도시한 사시도이고, 도 6은 베이스 플레이트(110)에 대한 하부 크로스 빔(132)의 용접 지점을 도시한 평면도이다.
크로스 빔(130)은 팩 케이스(100)의 횡 방향 강성을 보강하는 중요한 부재로서, 베이스 플레이트(110)에 대해 용접이나 볼트 체결 등으로 결합한다. 체결 강도와 생산성, 경량화 등을 고려하여 용접이 많이 사용되는데, 이 경우 크로스 빔(130)과 베이스 플레이트(110)의 용접면에 형성되는 용접 비드(135)가 배터리 팩(200)의 안전과 용량에 문제를 일으킨다.
즉, 크로스 빔(130) 안쪽으로 복수의 셀 적층체(210)가 탑재되는데, 특히 모듈 하우징이 없거나 간소화된 셀투팩 구조에서는 셀 적층체(210)가 용접 비드(135)에 간섭 되고, 진동이나 충격 등이 장시간 작용하는 환경에서 용접 비드(135)에 간섭된 셀 적층체(210)는 손상, 파손되기 쉽고, 이는 화재와 같은 심각한 안전 문제를 야기할 수 있다. 또한, 용접 비드(135)의 간섭을 회피하는 설계는 데드 스페이스를 만듦으로써 배터리 팩(200)의 에너지 밀도를 떨어뜨리게 된다.
도 5 및 도 6의 하부 크로스 빔(132)의 용접 구조는 이러한 용접 비드(135)의 문제를 해결할 수 있다. 도면을 참조하면, 하부 크로스 빔(132)은 베이스 플레이트(110)와의 경계 상에 적어도 하나 이상의 오목한 용접홈(134)을 구비하고 있다. 하부 크로스 빔(132)은 용접홈(134)을 통해 베이스 플레이트(110)에 대해 용접되고, 이에 따라 용접홈(134) 안의 오목한 공간에 용접 비드(135)가 형성되며, 용접홈(134) 안에 형성된 용접 비드(135)는 하부 크로스 빔(132) 외부로 돌출되지 않는다. 이로써, 용접 비드(135)에 의한 셀 적층체(210)의 간섭 및/또는 회피설계에 의한 데드 스페이스의 발생을 방지할 수 있다.
용접홈(134)의 크기는 용접방식에 따른 용접툴 팁의 사이즈 및 용접 비드(135)의 크기를 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 와이어 레이저 용접은 팁의 사이즈가 작고 용접 비드(135)의 크기도 2∼3㎜ 정도이므로, 용접홈(134)의 크기도 이에 대응하여 수 밀리미터 정도의 높이와 깊이로 만들어질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 용접홈(134)은 하부 크로스 빔(132)의 양측으로 구비될 수 있다. 이때, 도 6에 도시된 것과 같이, 하부 크로스 빔(132)의 양측으로 구비되는 각 용접홈(134)은, 서로 대면하는 방향을 따라 적어도 일부분이 중첩되지 않도록, 다시 말해 서로 엇갈리게 분산 배치될 수 있다. 용접홈(134)이 하부 크로스 빔(132)의 양측에 고르게 분산됨으로써 용접열에 의한 변형의 위험을 줄이면서 안정적인 용접 강도를 확보할 수 있다.
[제3 실시형태]
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩(200)에 대한 사시도이다. 제1 및 제2 실시형태에서 설명한 본 발명의 팩 케이스(100)에 대해, 크로스 빔(130), 또는 크로스 빔(130) 및 센터 빔(140)(도면에 도시된 실시형태)으로 분할된 복수의 수용공간에 각각 복수의 셀 적층체(210)가 장착됨으로써 배터리 팩(200)이 완성된다. 참고로, 도시된 실시형태는 별도의 모듈 하우징 없이 전기연결을 위한 버스바 프레임 어셈블리(BFA) 사이에 복수의 셀 적층체(210)가 집합된 셀투팩 구조의 배터리 팩(200)이며, 내부 구조의 도시를 위해 상면을 폐쇄하는 리드가 생략되어 있다.
도 8은 도 7의 "B-B" 선을 따라 절개한 단면도로서, 하부 및 상부 크로스 빔(132, 136)과, 셀 적층체(210)의 접촉면 사이에는 절연시트 또는 압축패드(220)가 개재되어 있다. 절연시트와 압축패드는 편의상 두께가 얇은 부재를 절연 시트로, 상대적으로 탄력감이 있는 두꺼운 부재를 압축패드로 구별하여 지칭하는 것이며, 양자 공히 전기 절연과 셀 적층체(210)에 대한 내층격성·내마모성 등을 보강하기 위한 보호부재로서, 크로스 빔(130)에 대해 셀 적층체(210)를 보호하는 역할을 한다.
한편, 도 9 내지 도 12는, 상술한 본 발명의 팩 케이스(100)를 이용하여 배터리 팩(200)을 제조하는 일련의 과정을 보여준다. 배터리 팩(200)의 제조방법은, 본 발명의 팩 케이스(100), 다시 말해 베이스 플레이트(110)와, 베이스 플레이트(110)의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트(120), 및 베이스 플레이트(110) 안쪽의 수용공간을 구획하도록 베이스 플레이트(110)에 결합하는 하부 크로스 빔(132)을 구비하는 팩 케이스(100)를 준비하는 제1 단계로부터 시작한다.
특히, 제1 단계에서는, 전체 크로스 빔(130) 중 하부 크로스 빔(132)만이 팩 케이스(100)에 준비되어 있으며, 이 상태에서 셀 적층체(210)의 탑재가 이루어진다. 즉, 제2 단계는, 하부 크로스 빔(132)으로 구획된 수용공간 안에 복수의 셀 적층체(210)를 안착하는 단계이며, 특히 생산성을 위해 다수의 셀 적층체(210)를 한 번에 취급하는 로딩지그(300)를 사용할 수 있다.
도 9는 복수의 셀 적층체(210)를 파지한 로딩지그(300)의 그리퍼(310)가 하부 크로스 빔(132)으로 진입하는 일 실시형태를 도시한 사시도이며, 도 10은 도 9의 로딩지그(300)가 하부 크로스 빔(132)으로 진입한 상태를 도시한 단면도이다. 로딩지그(300)의 원활한 작업을 위해, 제1 단계에서 준비하는 팩 케이스(100)는, 하부 크로스 빔(132)이 상부 크로스 빔(136)의 결합 방향에 대해 오목부(133-1)와 돌출부(133-2)가 반복된 제1 요철구조(133)를 구비하는 것임이 바람직하다.
도 9 및 도 10에 도시된 것처럼, 로딩지그(300)는 복수의 셀 적층체(210)를 일체로서 파지하는 그리퍼(310)를 구비하고 있다. 로딩지그(300)의 그리퍼(310)는, 하부 크로스 빔(132)과 평행한 셀 적층체(210)의 양 측면을 파지하는 한 쌍으로 구비되며, 이외에도 셀 적층체(210)의 다른 면을 파지하는 그리퍼(310)를 추가로 구비할 수도 있다. 특히, 하부 크로스 빔(132)과 마주보는 셀 적층체(210)의 양 측면을 파지하는 그리퍼(310)는, 하부 크로스 빔(132)에 형성된 제1 요철구조(133)의 오목부(133-1) 위치(또는 위치 및 개수)에 대응하는 복수의 발을 포함할 수 있다. 이에 따라, 로딩지그(300)의 그리퍼(310)는 제1 요철구조(133)의 오목부(133-1) 안으로 진입하여 파지한 복수의 셀 적층체(210)를 베이스 플레이트(110) 위에 안착시킨다.
대략적으로, 제1 요철구조(133)의 오목부(133-1)의 깊이는, 셀 적층체(210) 전체 높이의 절반 이상으로 깊숙히 들어가 있다. 따라서, 로딩지그(300)의 그리퍼(310)는 최소 셀 적층체(210) 전체 높이의 절반 이상의 그립 면적을 확보할 수 있게 된다. 다시 말해, 하부 크로스 빔(132)이 제1 요철구조(133)를 구비함으로써, 로딩지그(300)의 그리퍼(310)는 하부 크로스 빔(132)에 간섭을 일으킴이 없이 견고하게 셀 적층체(210)를 파지하여 진입할 수 있게 되고, 또한 셀 적층체(210)를 충격 없이 안정적으로 베이스 플레이트(110) 위에 올려놓을 수 있게 된다.
참고로, 설명되지 않은 도면부호 230은 써멀 레진으로서, 베이스 플레이트(110)와 셀 적층체(210) 사이의 전도 열전달을 촉진함으로써 배터리 팩(200)의 방열성능을 향상시키는 역할을 한다. 물론, 셀 적층체(210)를 팩 케이스(100) 안에 탑재하기 이전에, 베이스 플레이트(110) 상에 적절한 두께로 고르게 써멀 레진(230)이 도포된다.
도 11은 복수의 셀 적층체(210)를 안착한 후의 로딩지그(300)의 이탈 과정을 도시한 단면도이다. 하부 크로스 빔(132)의 두께에 비해 그리퍼(310)의 두께가 더 얇기 때문에, 로딩지그(300)의 그리퍼(310)가 복수의 셀 적층체(210)를 일체로 파지한 상태에서 베이스 플레이트(110) 위에 안착시키고 나면, 그리퍼(310)는 후퇴하여 파지상태를 해제한 후 하부 크로스 빔(132)의 상방으로 그대로 이탈할 수 있다.
이러한 일련의 단계를 거쳐 복수의 셀 적층체(210)를 일체로 하나의 수용공간 안에 장착하면 그 다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 복수의 셀 적층체(210)가 안착된 하부 크로스 빔(132)에 대해 상부 크로스 빔(136)을 결합하는 제3 단계를 수행한다. 하부 크로스 빔(132)에 대해 상부 크로스 빔(136)이 결속함으로써, 셀 적층체(210)의 전체 높이에 대해 충분한 면압을 형성할 수 있다. 셀 적층체(210)에 가해진 면압에 의해, 셀 적층체(210)가 충방전을 방전하면서 나타나는 스웰링 현상이 효과적으로 억제될 수 있다. 또한, 로딩지그(300)에 파지된 복수 개 셀 적층체(210)의 그립면에는 전술한 절연시트 또는 압축패드(220)가 부착되어 있을 수 있는데, 이러한 절연시트 또는 압축패드(220) 역시 스웰링 현상을 억제하는데 도움을 줄 수 있다.
그리고, 전술한 제2 단계 및 제3 단계, 즉 하부 크로스 빔(132)으로 구획된 수용공간 안에 복수의 셀 적층체(210)를 안착하는 제2 단계와, 복수의 셀 적층체(210)가 안착된 하부 크로스 빔(132)에 대해 상부 크로스 빔(136)을 결합하는 제3 단계를 반복하여 모든 수용공간 안에 복수의 셀 적층체(210)을 장착하는 제4 단계가 수행되며, 이로써 본 발명의 팩 케이스(100)에 빠짐 없이 셀 적층체(210)가 탑재된 배터리 팩(200)이 완성된다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 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.
100: 팩 케이스 110: 베이스 플레이트
120: 사이드 플레이트 130: 크로스 빔
132: 하부 크로스 빔 133: 제1 요철구조
133-1: 오목부 133-2: 돌출부
134: 용접홈 135: 용접 비드
136: 상부 크로스 빔 137: 제2 요철구조
137-1: 오목부 137-2: 돌출부
138: 볼트 140: 센터 빔
200: 배터리 팩 210: 셀 적층체
220: 절연시트 또는 압축패드 230: 써멀 레진
300: 로딩지그 310: 그리퍼

Claims (15)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 횡으로 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔; 및
    상기 하부 크로스 빔에 결합하는 상부 크로스 빔;
    을 포함하는, 팩 케이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔에 대해 상기 상부 크로스 빔이 상방 결합하여 하나의 크로스 빔을 형성하는, 팩 케이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 종으로 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 센터 빔을 포함하고,
    상기 하부 및 상부 크로스 빔은, 상기 센터 빔에 의해 분할된 각 수용공간을 횡으로 구획하는, 팩 케이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔은, 상기 상부 크로스 빔의 결합 방향에 대해 오목부와 돌출부가 반복된 제1 요철구조를 구비하고,
    상기 상부 크로스 빔은 상기 제1 요철구조에 상보하는 형태의 제2 요철구조를 구비하는, 팩 케이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔은 상기 베이스 플레이트에 대해 용접으로 결합하고,
    상기 상부 크로스 빔은 상기 하부 크로스 빔에 대해 볼트로 결합하는, 팩 케이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔과 상부 크로스 빔은 서로 이종재질로 이루어지고,
    상기 상부 크로스 빔은 상기 하부 크로스 빔보다 경량 재질로 이루어진, 팩 케이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔은,
    상기 베이스 플레이트와의 경계 상에 적어도 하나 이상의 오목한 용접홈을 구비하는, 팩 케이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용접홈은,
    상기 하부 크로스 빔의 양측으로 구비되는, 팩 케이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔의 양측으로 구비되는 각 용접홈은,
    서로 대면하는 방향을 따라 적어도 일부분이 중첩되지 않도록 분산 배치되는, 팩 케이스.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 하부 크로스 빔은 상기 용접홈을 통해 상기 베이스 플레이트에 대해 용접되고,
    상기 용접홈 안에 형성된 용접 비드는 상기 하부 크로스 빔 외부로 돌출되지 않는, 팩 케이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 분할된 수용공간에 장착되는 복수의 셀 적층체;
    를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하부 및 상부 크로스 빔과, 상기 셀 적층체의 접촉면 사이에는 절연시트 또는 압축패드가 개재되는, 배터리 팩.
  13. 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 둘레를 따라 결합하여 그 내부에 수용공간을 형성하는 사이드 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트 안쪽의 수용공간을 구획하도록 상기 베이스 플레이트에 결합하는 하부 크로스 빔을 구비하는 팩 케이스를 준비하는 제1 단계;
    상기 하부 크로스 빔으로 구획된 수용공간 안에 복수의 셀 적층체를 안착하는 제2 단계;
    상기 복수의 셀 적층체가 안착된 상기 하부 크로스 빔에 대해 상부 크로스 빔을 결합하는 제3 단계; 및
    상기 제2 및 제3 단계를 반복하여 모든 수용공간 안에 복수의 셀 적층체을 장착하는 제4 단계;
    를 포함하는, 배터리 팩의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 하부 크로스 빔이 상기 상부 크로스 빔의 결합 방향에 대해 오목부와 돌출부가 반복된 제1 요철구조를 구비하는 팩 케이스를 준비하는 단계이고,
    상기 제2 단계는,
    복수의 셀 적층체를 일체로서 파지하는 그리퍼를 구비하는 로딩지그를 이용하여 복수의 셀 적층체를 상기 하부 크로스 빔으로 구획된 수용공간 안에 안착하는 단계로서, 상기 그리퍼는 상기 제1 요철구조의 오목부 안으로 진입하여 파지한 복수의 셀 적층체를 상기 베이스 플레이트 위에 안착시키는, 배터리 팩의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 로딩지그의 그리퍼가 상기 복수의 셀 적층체를 일체로 파지한 상태에서 상기 베이스 플레이트 위에 안착시키고, 상기 그리퍼의 파지를 해제한 후 상기 하부 크로스 빔의 상방으로 그대로 이탈하는, 배터리 팩의 제조방법.

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