KR20240058044A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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KR20240058044A
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조상현
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Abstract

본 발명의 배터리 팩은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 수납하는 외함으로서 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태로 마련되는 삽입부를 길이 방향을 따라 구비하는 외함; 및 상기 삽입부에 삽입되는 막대형 보강 부재를 포함한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 {Battery pack and energy storage system comprising the same}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 외함, 그리고 부품간 조립 방식이 개선된 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 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 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 복수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
최근에 주목받고 있는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 생산된 전기를 배터리 팩에 저장해 두었다가 전기가 필요할 때 수요자에게 공급함으로써 전력 사용 효율을 극대화할 수 있는 장치이다. ESS는 복수의 배터리 팩이 하나의 배터리 랙을 이루며, 수십 개 내지 수백 개의 배터리 랙들이 모여 하나의 시스템을 구성한다. 그리고 갑작스러운 전력 공급 중단이나 이상에 대응하여 전력 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 UPS(무정전 전원 장치)와 태양빛을 전기 에너지로 변환하는 발전 장치인 태양광발전 시스템 등과 연동하여 사용되기도 한다. 또한, 전기 자동차에 대한 상용화가 본격화되면서 전기 자동차를 충전시킬 수 있는 전기 충전소에도 이러한 ESS가 적용될 수 있다.
ESS에 사용되는 배터리 팩의 경우, 팩 케이스라 할 수 있는 외함에 복수의 배터리 셀이 수납된 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 보통 ESS 배터리 팩의 외함은, 복수의 배터리 셀의 고하중을 지지하기 위해 고강성의 금속 재질 보통, 스틸(steel) 재질로 제조되고 있다.
그러나, 이 경우, 외함과 전기적 구성 요소 특히, 외함과 배터리 셀 사이의 전기적 절연성이 문제되며, 이를 해결하기 위해 외함과 배터리 셀간에 추가적인 절연 구조나 별도의 절연 부품이 반드시 적용되어야 한다. 이에 따라 배터리 팩의 제작 공수 증가, 택트 타임(tact time) 및 제작 비용의 상승을 초래하는 문제점이 있다.
한편, 종래 ESS 배터리 팩의 경우, 내부의 팩 구성 요소를 고정하기 위해 볼트-너트 결합을 이용하는 구조를 가지고 있다. 또한, 터미널 블록 조립 시 토크(torque)에 따른 회전 방지, 터미널 블록 위치 고정을 위해 볼트 체결을 하여 고정 및 회전 방지를 하고 있다.
종래와 같이 볼트-너트 사용 시에는 이를 구현하기 위한 구조적인 고려가 필요한데, 예를 들어 인써트(insert)나 언더 컷(under cut) 회피 등을 고려한 설계를 진행해야 한다. 뿐만 아니라, 여기에서 발생할 수 있는 절연 약화들을 함께 고려하는 설계도 해야 한다. 그리고, 볼트-너트는 공정 관리 측면에서 체결을 위한 토크 관리 및 체결 누락 여부, 체결 후 제품 사용에 따른 풀림 등을 지속적으로 확인 및 관리해야 한다. 체결 및 체결 확인을 위한 공정 추가로 택트 타임이 증가하는 문제도 있다.
따라서, 외함과 전기적 구성 요소 사이의 전기적 절연을 확보함과 동시에 복수의 배터리 셀을 견고히 지지하도록 구조적 강성 및 안전성을 향상된 외함 구조에 대한 기술 개발이 요구된다. 또한, 볼트-너트 사용 시보다 내부의 팩 구성 요소를 고정하기 위해 고려해야 할 설계 변수가 적은 배터리 팩에 대한 기술 개발이 요구된다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기적 절연성 및 구조적 안전성이 확보된 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 볼트-너트 사용 시보다 내부의 팩 구성 요소를 고정하기 위해 고려해야 할 설계 변수가 적고 볼트-너트 사용 시보다 공정 관리 측면에서 관리가 쉬우며 택트 타임이 증가하지 않는 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 배터리 팩은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 셀 어셈블리; 상기 셀 어셈블리를 수납하는 외함으로서 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태로 마련되는 삽입부를 길이 방향을 따라 구비하는 외함; 및 상기 삽입부에 삽입되는 막대형 보강 부재를 포함한다.
상기 외함은, 상기 배터리 셀이 안착되는 베이스 플레이트(base plate); 및 상기 베이스 플레이트의 양측에 마련되며, 상기 삽입부를 구성하는 지지 프레임부를 포함한다.
상기 베이스 플레이트와 상기 지지 프레임부는 일체로 사출 성형될 수 있다.
상기 보강 부재는 한 쌍의 강관일 수 있다.
상기 외함은 플라스틱 재질로 제작되고, 상기 보강 부재는 금속 재질로 제작될 수 있다.
본 발명의 배터리 팩은 상기 보강 부재의 위치 고정을 위한 베이스 클립(base clip)을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 셀 어셈블리는 서로 나란하게 배치되는 복수의 셀 어셈블리이고, 상기 셀 어셈블리는 버스바 프레임 조립체를 포함할 수 있다.
상기 베이스 플레이트의 상기 지지 프레임부는, 상기 셀 어셈블리의 배열 방향으로 연장되는 테두리 영역에 구비되고, 상기 셀 어셈블리의 배열 방향을 따라 소정 간격마다 상향 돌출되어 각 상기 셀 어셈블리의 상기 버스바 프레임 조립체를 지지하도록 마련된 것일 수 있다.
상기 베이스 플레이트는 서로 이웃하는 상기 지지 프레임부 사이에 마련되는 오목부를 더 포함하고, 각 상기 셀 어셈블리의 상기 버스바 프레임 조립체는 전기 절연성 소재의 버스바 프레임을 포함하며, 상기 버스바 프레임은 상기 지지 프레임부의 상면에 배치되는 거치판; 및 대응하는 상기 오목부에 삽입 가능하도록 상기 거치판에서 하방 돌출된 안착 가이드 블록을 포함할 수 있다.
상기 거치판과 상기 안착 가이드 블록은 상기 버스바 프레임에 일체로 사출 성형될 수 있다.
상기 오목부는 상면에 단차를 포함하고, 상기 안착 가이드 블록의 하면은 상기 단차에 부합되는 형상을 가질 수 있다.
상기 셀 어셈블리가 각각의 상기 안착 가이드 블록이 대응하는 상기 오목부에 삽입되어 상기 베이스 플레이트에 안착된 때, 각각의 상기 안착 가이드 블록과 상기 지지 프레임부는 상기 셀 어셈블리의 배열 방향을 따라 연속된 조립 벽체를 형성하도록 구성되고, 상기 조립 벽체가 상기 삽입부를 정의할 수 있다.
상기 안착 가이드 블록과 상기 지지 프레임부는 상기 보강 부재의 길이 방향 및 높이 방향으로 상기 보강 부재의 위치를 구속하며, 상기 보강 부재에 의해 상기 외함과 상기 버스바 프레임 조립체가 서로 고정될 수 있다.
상기 조립 벽체는 상부 수용벽, 하부 수용벽 및 측부 수용벽을 포함하고, 상기 보강 부재는 직육면체 강관이며, 상기 강관의 상부는 상기 상부 수용벽에 접하고, 상기 강관의 하부는 상기 하부 수용벽에 접하며, 상기 강관의 일 측부는 상기 측부 수용벽과 접할 수 있다.
상기 외함은 상기 베이스 플레이트의 적어도 일측에 프론트 플레이트(front plate)를 더 포함하고, 상기 배터리 팩은 터미널 블록을 더 포함하며, 상기 프론트 플레이트에 상기 터미널 블록의 이탈을 방지하는 스냅 핏(snap fit) 구조의 프론트 커버가 장착될 수 있다.
상기 베이스 플레이트와 상기 프론트 플레이트는 일체로 사출 성형될 수 있다.
상기 프론트 플레이트는 상기 베이스 플레이트의 일측 가장자리에 구비되는 수직인 판 형태이고, 상기 프론트 플레이트의 외측면에 상기 터미널 블록이 장착되며, 상기 배터리 팩은 개구가 형성된 탑 커버를 더 포함하여, 상기 터미널 블록은 상기 탑 커버의 상기 개구를 통하여 상기 프론트 플레이트에 탈부착 가능하게 마련되는 상기 프론트 커버를 사용하여 노출 또는 차폐될 수 있다.
그리고 본 발명은 에너지 저장 시스템으로서 본 발명에 따른 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 플라스틱 사출물로 외함을 제작하여 외함과 배터리 셀과의 절연성이 확보될 수 있으며, 외함에 보강 부재를 삽입하여 외함의 기계 물성이 향상되어 구조적 안정성이 확보될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 따르면, 별도의 절연부품 없이 사출 외함을 적용하여 절연이 완벽히 구현될 수 있도록 구성된 배터리 팩을 제공할 수 있다. 이에 따라, 추가적인 절연 구조나 별도의 절연 부품없이, 외함과 배터리 셀간의 전기적 절연이 가능해져 배터리 팩의 제작 공수 감소, 택트 타임 및 제작 비용의 절감이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 외함과 버스바 프레임 조립체가 보강 부재에 의해 서로 고정되어 견고한 체결 구성이 마련됨에 따라, 휨 또는 처짐에 대한 저항성이 향상될 수 있다.
나아가, 보강 부재에 의한 고정 구성을 통해, 볼트-너트를 사용하는 고정 구조를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 특히, 본 발명에 따르면, 배터리 팩에서 볼트-너트를 사용하는 고정 구조를 최소화하여, 구조적으로 내부 부품을 조립, 고정하는 구조를 제안한다. 본 발명에 따르면, 배터리 팩의 설계적, 관리적 관리인자를 최소화하여, 여기서 발생할 수 있는 문제 발생을 억제할 수 있다. 즉, 볼트-너트 사용 시보다 내부의 팩 구성 요소를 고정하기 위해 고려해야 할 설계 변수가 적고 볼트-너트 사용 시보다 공정 관리 측면에서 관리가 쉬우며 택트 타임이 증가하지 않는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 구조 단순화 부품수 감소에 따라 재료비가 절감된다. 본 발명에 따르면, 택트 타임 감소로 인해 생산성이 향상된다. 본 발명에 따르면, 공정 단순화 및 구조 단순화를 통해 배터리 팩의 무게를 절감하는 효과도 있다. 본 발명에 따르면, 스틸 재질이 아닌 플라스틱 사출 외함이므로 무게가 가벼울 뿐 아니라, 기존의 볼트-너트를 사용하는 구조에 비해 볼트, 너트 무게 및 고정을 위한 사출 구조 구현을 위한 레진(resin)이 필요없어 더욱 무게 저감이 가능하다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 보강 부재는 사출로 제작되는 베이스 플레이트의 강성을 보강하는 효과가 현저하며, 베이스 플레이트에 셀 어셈블리를 안정적으로 고정시킬 수 있으며 배터리 팩 무게가 경량화되도록 구성된 배터리 팩을 제공할 수 있다.
그리고 이러한 배터리 팩을 포함함으로써, 에너지 저장 시스템은 안전하고, 운반과 설치가 용이하며, 생산 비용을 낮출 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 팩의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩에서 탑 커버를 분리한 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩의 주요 부분을 보여주는 일부 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 셀 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 베이스 플레이트 및 보강 부재를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 부분 확대도이다.
도 7은 도 4의 버스바 프레임을 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 플레이트와 복수의 셀 어셈블리의 조립 공정 내지 조립 구조를 도시한 도면들이다.
도 10은 도 9에서 보강 부재 삽입 후 베이스 클립이 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
도 11은 도 1의 배터리 팩의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 터미널 블록 부분을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 배터리 팩에서 터미널 블록 조립 및 고정 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 A-A' 단면에 해당하며 프론트 커버를 조립한 후의 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
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 팩의 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 팩에서 탑 커버를 분리한 도면이며, 도 3은 도 1의 배터리 팩의 주요 부분을 보여주는 일부 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 X축, Y축, Z축 방향으로 각각 소정의 길이, 폭, 높이를 가지는 입체적 구조물일 수 있다. 배터리 팩(10)은 셀 어셈블리(CMA, 100), 외함(400) 및 보강 부재(500)를 포함한다. 배터리 팩(10)은 보강 부재(500) 위치 고정을 위한 베이스 클립(base clip)과 탑 커버(410)를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 셀 어셈블리(100)를 하나 이상 포함한다. 여기서, 셀 어셈블리(100)는 그룹화된 복수의 배터리 셀(101)을 지칭하는 것을 가리킨다.
배터리 팩(10)은 셀 어셈블리(100)가 복수 포함되게 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 2의 실시 구성과 같이, 배터리 팩(10)은 서로 나란하게 배치되는 4개의 셀 어셈블리(100)를 포함할 수 있다. 그리고, 배터리 팩(10)은 상기 4개의 셀 어셈블리(100)를 외부로부터 보호하기 위한 외함(400)을 포함하는 것이다.
외함(400)은 셀 어셈블리(100)를 수납하는 부분이다. 외함(400)에 도 1에 도시한 바와 같이 탑 커버(410)가 결합되게 되면, 내부에 셀 어셈블리(100)가 수용되는 빈 공간을 형성할 수 있고, 셀 어셈블리(100)는 이러한 빈 공간에 수납될 수 있다.
외함(400)은 셀 어셈블리(100)를 지지할 수 있다. 특히 외함(400)은 셀 어셈블리(100)의 하면을 주로 지지할 수 있다. 이러한 외함(400)은, 배터리 팩(10)을 에너지원으로 하는 기계나 기구물 등에 장착될 수 있다. 예로써, 외함(400)은 에너지 저장 시스템이나, 전기 자동차 등에 장착될 수 있다.
본 실시예에서, 외함(400)은 4개의 셀 어셈블리(100)의 하부에서 셀 어셈블리(100)를 지지하는 베이스 플레이트(420)를 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(420)는 셀 어셈블리(100)를 지지하며, 외함(400)의 주된 부분을 구성한다. 구체적으로 베이스 플레이트(420)는 셀 어셈블리(100)의 하면을 커버할 수 있다.
탑 커버(410)는 셀 어셈블리(100)의 상면을 주로 커버하며 베이스 플레이트(420)와 상호 결합된다. 탑 커버(410)는 하부가 개방된 직육면체 박스 형태로 마련되고, 베이스 플레이트(420)는 복수의 셀 어셈블리(100)를 안착할 수 있는 면적을 갖는 대략 판상체 형태로 마련될 수 있다.
특히, 베이스 플레이트(420)와 탑 커버(410) 각각은 일 방향(본 실시예에서는 Y축 방향)으로 연장되게 배치된 2개의 단위 파트를 포함하게 하고, 각 단위 파트를 상호 연결하여 마련할 수 있다. 도 3에는 2개의 단위 파트 중 좌측에 위치한 파트들을 도시하였다. 그리고 단위 파트가 서로 마주보는 일 변에는 서로를 바라보는 방향으로 돌출된 체결 돌출부와 이러한 체결 돌출부에 결합되는 체결 수용홈부를 마련하여, 단위 파트간 연결 부위에 단차없이 조립할 수 있다. 대용량 배터리 팩을 제조하기 위하여 외함(400)의 사이즈를 대형화할 때에 한 덩어리의 단위로 제조하면, 제조상 어려움이나 취급 과정에서의 불편함이 발생할 수 있다. 본 발명의 이러한 실시 구성에 따르면, 베이스 플레이트(420)와 탑 커버(410)의 각 단위 파트를 적당한 사이즈로 제조하고, 이를 간단한 방법으로 조립하여 완성할 수 있으므로, 제조 및 취급 과정에서 편리해지는 이점이 있다. 나아가, 베이스 플레이트(420)는 각 단위 파트의 연결 부위에서 구조 강성이 더욱 향상될 수 있으며, 두께 방향(Z축 방향)으로의 휨 또는 처짐에 대한 저항성이 더욱 개선되는 효과가 있다.
다음으로, 셀 어셈블리(100)의 상세 구성에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 셀 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 4를 더 참조하면, 셀 어셈블리(100)는 복수의 배터리 셀(101)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(101)은, 소정 개수만큼 모여 하나의 셀 어셈블리(100)로 구성될 수 있다.
각각의 셀 어셈블리(100)는 복수의 배터리 셀(101)을 포함하는 셀 적층체(110, 120)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 셀 적층체(110, 120)간은 소정 간격 이격되어, 공기층(K1)을 가진다.
셀 적층체(110, 120)를 이루는 배터리 셀(101)의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 하나의 셀 어셈블리(100)는 도시한 바와 같이 2개의 셀 적층체(110, 120)를 포함하거나, 3개 또는 4개의 셀 적층체를 포함하도록 구성될 수도 있다. 물론 1개의 셀 적층체만을 포함하는 경우도 가능할 수 있다. 여기서 상기 셀 적층체는, 대략 판상 형태로 갖는 배터리 셀(101)을 소정 개수만큼 적층한 배터리 셀(101)들의 집합체를 의미한다.
공기층(K1)은 셀 적층체(110, 120)간의 열의 이동을 차단하는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 셀 적층체(120)의 배터리 셀(101) 중 하나의 배터리 셀(101)에 열 폭주 이벤트가 발생한 때, 공기층(K1)으로 인해, 한 쪽의 셀 적층체(120)에서 다른 한 쪽의 셀 적층체(110)로 열의 이동이 저지될 수 있다. 따라서 특정 배터리 셀(101)에서 열적 이벤트가 발생한 때, 셀 어셈블리(100)에 포함된 모든 배터리 셀(101)로 열이 연쇄적으로 전파되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 공기층(K1)은, 배터리 셀(101)에서 가스가 발생한 때, 가스의 이동 통로로 사용될 수도 있다.
배터리 셀(101)은 파우치형 이차전지로 이루어질 수 있으며, 복수로 구비되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 전기적 연결을 위해 셀 어셈블리(100)는 버스바 프레임 조립체(300)를 포함한다.
각각의 배터리 셀(101)은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드(102)를 포함할 수 있다. 전극 리드(102)는 양극 리드와 음극 리드를 포함할 수 있으며, 상기 양극 리드는 상기 전극 조립체의 양극판에 연결되고, 상기 음극 리드는 상기 전극 조립체의 음극판에 연결될 수 있다.
도시한 예에서 각각의 배터리 셀(101)은 그 길이 방향(X축 방향) 양측으로 각각 돌출되는 한 쌍의 전극 리드(102)를 포함하고 있다. 다시 말해, 전극 리드(102)는 각각 파우치형 이차전지인 배터리 셀(101)의 길이 방향에 따른 전방부와 후방부에 구비될 수 있다.
본 실시예에서, 셀 적층체(110, 120)는, 일 방향(Y축 방향)으로 적층된 다수의 배터리 셀(101)의 집합체이다. 배터리 셀(101)은 상하 방향(Z축 방향)으로 세워진 상태로 수평 방향(Y축 방향)으로 나란하게 배열될 수 있다. 즉, 배터리 셀(101)의 넓은 면이 지면에 수직하게 세워져 수평 방향으로 적층된 형태로 제공될 수 있다.
버스바 프레임 조립체(300)는 좌우 방향(Y축 방향)으로 소정 간격 이격되고 서로 나란하게 배치되는 셀 적층체(110, 120)의 전방과 후방에 각각 배치된다. 다시 말하면, 버스바 프레임 조립체(300)는 배터리 셀(101)의 적층 방향과 교차하는 방향인, 셀 적층체(110, 120)의 전방 및 후방에 배치된다.
버스바 프레임 조립체(300)는 셀 적층체들의 개수에 대응하게 마련될 수 있다. 즉, 본 실시예의 버스바 프레임 조립체(300)는 2개의 셀 적층체(110, 120)에 대응하도록 설계된 것이나, 예컨대 셀 적층체의 개수가 3개이면, 버스바 프레임 조립체(300)도 상기 3개의 셀 적층체들을 지지하고 전기적으로 연결할 수 있게 구성될 수 있다.
버스바 프레임 조립체(300)는, 버스바 프레임(310)과 복수의 버스바(320)를 포함한다.
버스바 프레임(310)은, 전기 절연성 소재이고 셀 적층체(110, 120)의 전방면 또는 이들의 후방면을 일체로 커버하는 있는 사이즈로 마련될 수 있다. 또한, 버스바 프레임(310)은 각각 소정 개수의 전극 리드(102)를 전후 방향(X축 방향)으로 통과시킬 수 있는 리드 슬릿을 구비할 수 있다. 상기 리드 슬릿은 배터리 셀(101)의 적층 방향을 따라 소정 간격마다 마련될 수 있다.
복수의 버스바(320)는 전기 전도성을 갖는 구리, 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속 소재로 막대 또는 판 형태로 마련될 수 있다. 이러한 복수의 버스바(320)는 버스바 프레임(310)에 배터리 셀(101)의 적층 방향을 따라 일정 간격 서로 떨어져 장착될 수 있다.
셀 적층체(110,120)를 각각 구성하는 배터리 셀(101)은, 그것들의 전극 리드(102)가 대응하는 상기 리드 슬릿을 통과해 버스바 프레임(310)의 바깥쪽으로 인출될 수 있다. 버스바 프레임(310)의 바깥쪽으로 인출된 전극 리드(102)는 벤딩되어 대응하는 버스바(320)의 표면에 고정되게 부착될 수 있다. 예컨대, 버스바(320)와 전극 리드(102)는 레이저 용접 또는 초음파 용접에 의해 상호 고정 결합될 수 있다. 예컨대 2개의 배터리 셀(101)의 양극 리드를 포개어 특정 버스바(320)에 부착하고, 다른 2개의 배터리 셀(101)의 음극 리드를 포개어 상기 특정 버스바(320)에 부착한다. 그러면 4개의 배터리 셀(101)들은 서로 간에 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 이와 같은 방식으로 배터리 셀(101)의 전극 리드(102)를 대응하는 버스바(320)에 부착하면, 셀 적층체(110,120)에 포함된 모든 배터리 셀(101)이 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
버스바 프레임(310)은 전기적 절연을 달성할 수 있다. 버스바 프레임(310)은 사출을 통해 플라스틱 구조물로 제조될 수 있어, 별도의 전기 절연을 위한 절연처리나 절연 부품이 필요하지 않다. 또한 경량화에 도움이 된다.
그리고, 베이스 플레이트(420)와의 메이팅 파트 구현을 위한 사출 구조물로서 구성됨이 바람직하다. 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서, 버스바 프레임 조립체(300)의 버스바 프레임(310)은, 베이스 플레이트(420)의 지지 프레임부(422)의 상면에 안착되는 거치판(314)과 이러한 거치판(314)에서 하방 돌출되는 안착 가이드 블록(315)을 더 포함할 수 있다. 거치판(314)과 안착 가이드 블록(315)은, 복수의 셀 어셈블리(100)와 베이스 플레이트(420)간의 조립성과 고정성을 높이기 위한 구성요소이다. 거치판(314)과 안착 가이드 블록(315)은 버스바 프레임(310)에 일체로 사출 성형될 수 있다. 거치판(314)과 안착 가이드 블록(315)에 대해서는 이하에서 베이스 플레이트(420)와 연계하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 외함(400)은 플라스틱 재질로 구성될 수 있다. 외함(400)은 전체적으로 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 외함(400)은, 플라스틱 사출물 형태로 구성될 수 있다. 이처럼, 플라스틱 사출물로 외함(400)을 제작하게 되면, 배터리 셀(101)과의 절연성이 확보될 수 있다.
베이스 플레이트(420) 상에는 복수의 셀 어셈블리(100)가 안착되어 지지될 수 있다. 도시한 예에서는 X축 양 방향으로 전극 리드(102)가 돌출된 셀 어셈블리(100)가 Y축 방향을 따라 4개가 나란히 배열되어 있으며, 셀 어셈블리(100)에서 전극 리드(102)간을 연결하는 버스바 프레임 조립체(300)가 베이스 플레이트(420)의 양 측면에 놓여 있다. X축 일 방향으로 전극 리드가 돌출된 셀 어셈블리를 포함하는 경우라면 상기 버스바 프레임 조립체는 상기 베이스 플레이트의 일 측면에 놓일 수 있다.
특히 베이스 플레이트(420)는 전기적 절연을 달성할 수 있고, 셀 어셈블리(100)와 메이팅 파트 구현을 위한 사출 구조물로서 구성됨이 바람직하다. 베이스 플레이트(420)는 사출을 통해 플라스틱 구조물로 제조될 수 있어, 별도의 전기 절연을 위한 절연처리나 절연 부품이 필요하지 않다. 또한, 금속 재질로 외함을 구성하는 경우보다 경량화시킬 수 있다.
종래 배터리 팩 외함의 베이스 플레이트는 압출로 제조되거나 철판(steel plate)과 같은 강성 재질로 적용되어 있다. 여기에는, 절연을 위해 추가 절연 부품을 적용해야 해서 무게 및 원가가 증가하는 문제가 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 사출 외함을 적용하므로 절연 부품을 추가로 적용할 필요가 없다. 따라서, 무게 및 원가를 줄일 수 있다.
다만, 플라스틱 사출물로 적용 시, 외함(400)의 구조적 안전성이 문제될 수 있다. 더욱이, 외함(400) 사이즈가 대형화될수록 스틸 재질의 종래 외함에 비해, 플라스틱 사출물의 외함(400) 구조의 경우 상대적으로 휨이나 처짐 현상이 더 발생될 수 있고, 강도나 강성 면에서 약할 수 있어 견고한 지지력에는 한계가 있을 수 있다.
이에 본 실시예에서는 외함(400)에 보강 부재(500)를 마련한다. 즉, 사출 외함의 구조적 강성은 기계 구조용 강관일 수 있는 보강 부재(500)로 보완한다. 보강 부재(500)는 종래 배터리 팩 외함의 스틸 재질 베이스 플레이트에 비해 더 적은 부피와 무게로 원하는 강성은 충분히 보완할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 종래 배터리 팩에 비하여 무게 및 원가를 줄일 수 있다.
외함(400)은 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태로 마련되는 삽입부(424a)를 길이 방향을 따라 구비한다. 특히, 삽입부(424a)는 외함(400)의 베이스 플레이트(420)의 양측에 마련될 수 있으며, 이러한 삽입부(424a)를 구성할 수 있게, 베이스 플레이트(420)는 지지 프레임부(422)를 포함한다. 베이스 플레이트(420)와 지지 프레임부(422)는 일체로 사출 성형될 수 있다. 이처럼 플라스틱 사출물로 외함(400)을 제작함에 따라, 배터리 셀(101)과의 절연성이 확보될 수 있는 장점과 더불어, 가공상의 편의성도 확보될 수 있으며 제작 공수가 줄어들 수 있다. 이처럼, 플라스틱 사출물로 외함(400)을 제작하여 추가적인 절연 구조나 별도의 절연 부품없이, 전기적 절연이 가능해져 배터리 팩(10)의 택트 타임 및 제작 비용의 절감이 가능할 수 있다.
보강 부재(500)는, 외함(400)에 삽입될 수 있다. 보강 부재(500)는 외함(400)의 삽입부(424a)에 삽입될 수 있다. 특히, 보강 부재(500)는 삽입부(424a)에 삽입되기 위해, 일 방향으로 길게 연장된 막대형으로 구성될 수 있다. 삽입부(424a)는 외함(400)의 양측에 마련될 수 있다. 따라서, 보강 부재(500)는 배터리 팩(10)의 측부로부터 삽입이 될 수 있다. 삽입부(424a)가 외함(400)에서 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태로 마련되므로, 보강 부재(500)는 외함(400)의 외측면에서부터 내측으로, 즉 사이드 방향으로 밀어넣는 단순 조작에 의해 삽입부(424a)에 삽입이 용이하게 될 수 있다.
보강 부재(500)는 금속 재질로 제작될 수 있다. 일례로, 보강 부재(500)는 한 쌍의 강관일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 보강 부재(500)는 단면이 사각형인 직육면체 강관일 수 있다. 또한, 그리고 보강 부재(500)는 도시한 바와 같이 속이 빈 파이프 형태로 구비되어도 좋다. 이 경우 무게를 더욱 줄일 수 있다.
이와 같은 보강 부재(500)는 외함(400)의 삽입부(424a)에 한 쌍이 삽입되게 배치될 수 있다. 이를 통해, 외함(400)의 양 측부는 견고히 지지될 수 있다. 이와 같이 플라스틱 사출물로 외함(400)이 제작됨에도 보강 부재(500)를 통하여 외함(400)의 기계 물성이 향상되어 구조적 안정성이 확보될 수 있다. 베이스 플레이트(420)만으로 셀 어셈블리(100)를 지지하는 경우에 비해, 보강 부재(500)를 통하여, 셀 어셈블리(100)의 하중을 전체 결합 구조가 지지할 수 있게 되어 구조적 안전성이 확보될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 베이스 플레이트 및 보강 부재를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 부분 확대도이다.
먼저 도 5에 도시한 바와 같이, 베이스 플레이트(420)는 관통 형성된 하측 벤팅홀(425)을 구비할 수 있다. 그리고, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 탑 커버(410)는 관통 형성된 상측 벤팅홀(411)을 구비할 수 있다. 상측 벤팅홀(411)과 하측 벤팅홀(425)은 상하로 대칭 구조가 되도록 형성될 수 있다. 그리고 상측 벤팅홀(411), 도 2와 도 3에 도시한 공기층(K1) 및 하측 벤팅홀(425)은, 모두 상하 방향으로 매칭되게 구성될 수 있다. 배터리 셀(101)에서 분출된 가스는 공기층(K1)을 통해 상측 벤팅홀(411) 및/또는 하측 벤팅홀(425) 거쳐 배터리 팩(10)의 외부로 배출될 수 있다. 이와 같이 배터리 셀(101)들에서 발생하는 고온 고압의 가스가 균일하게 분산되어서 외함(400)의 외부로 배출될 수 있다. 이에 따라, 배터리 셀(101)들의 가스 분출시 배터리 팩(10)의 붕괴 내지 변형이 방지될 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 베이스 플레이트(420)의 지지 프레임부(422)는 셀 어셈블리(100)의 배열 방향으로 연장되는 테두리 영역에 구비되고, 셀 어셈블리(100)의 배열 방향을 따라 소정 간격마다 상향 돌출된 것이다. 그리고, 베이스 플레이트(420)는 서로 이웃하는 지지 프레임부(422) 사이에 마련되는 오목부(423)를 더 포함할 수 있다. 여기서 셀 어셈블리(100)의 배열 방향은 배터리 셀(101)의 적층 방향과 같고, 셀 어셈블리(100)의 배열 방향으로 연장되는 테두리 영역은, 도 5의 베이스 플레이트(420)에서 X축 양 방향의 테두리 영역을 포함한다.
또한 지지 프레임부(422)는, 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태를 가지므로 삽입부(424a)를 구성할 수 있는 형상이다. 상기 함몰된 형태는, 대략적으로 'ㄷ' 형태로 마련되고, 이러한 형태는 보강 부재(500)와 형상 맞춤될 수 있다. 한편, 상기 함몰된 형태는 보강 부재(500)와 형상 맞춤되는 형태라면 반드시 'ㄷ' 형태가 아니라도 무방하다. 오목부(423)는, 도 6과 같이, 인접한 2개의 지지 프레임부(422) 사이에 위치할 수 있다.
도 7은 도 4의 버스바 프레임을 보다 상세히 도시한 도면이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 플레이트와 복수의 셀 어셈블리의 조립 공정 내지 조립 구조를 도시한 도면들이다. 도 10은 도 9에서 보강 부재 삽입 후 베이스 클립이 조립된 상태를 보여주는 도면이다.
오목부(423)는, 도 7 및 도 8에서와 같이, 버스바 프레임(310)의 안착 가이드 블록(315)과 형상 맞춤되도록 구성될 수 있다. 특히, 오목부(423)는 상면에 단차를 포함하고, 안착 가이드 블록(315)의 하면은 상기 단차에 부합되는 형상을 가질 수 있다. 상기 단차는 위치 가이드를 구현할 수 있으며, 경사부를 특히 포함하도록 구성하여 오목부(423)에 가이드 블록(315) 위치 가이드 및 조립이 용이하도록 할 수 있다. 이에 따라, 베이스 플레이트(420)에 셀 어셈블리(100)를 안정적으로 거치 및 수납할 수 있다.
이어서, 도 8 내지 도 10을 더 참조하여, 베이스 플레이트(420)와 복수의 셀 어셈블리(100)간의 조립 구조 및 고정 구조를 설명하기로 한다.
각 셀 어셈블리(100)는 안착 가이드 블록(315)을 구비한 버스바 프레임 조립체(300)를 포함하고, 베이스 플레이트(420)는 일정한 위치 마다 오목부(423)를 구비한다. 셀 어셈블리(100)에 구비되는 안착 가이드 블록(315)의 개수와 베이스 플레이트(420)에 구비되는 오목부(423)의 개수는 동일하다.
오목부(423) 주변에는 지지 프레임부(422)가 돌설되어 있다. 안착 가이드 블록(315)은 이웃하는 지지 프레임부(422)의 사이를 상방에서 하방으로, 즉 Z축 방향으로 지나가면서, 오목부(423)에 끼워질 수 있다. 그리고 오목부(423)는, 각 셀 어셈블리(100)의 안착 가이드 블록(315)을 대응하는 각 오목부(423)에 삽입하면, 셀 어셈블리(100)가 베이스 플레이트(420) 상에서 서로 일정 간격 이격 배치되도록, 베이스 플레이트(420)의 테두리 영역에 구성될 수 있다. 또한, 각 셀 어셈블리(100)의 버스바 프레임(310)은 도 3 및 도 7에도 도시한 바와 같이 지지 프레임부(422)의 상면에 대면하게 배치될 수 있는 거치판(314)을 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 상기와 같은 구성을 포함하고 있어, 안착 가이드 블록(315)과 오목부(423)가 서로 형합하도록 각 셀 어셈블리(100)를 베이스 플레이트(420)에 조립하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 셀 어셈블리(100)가 각각 베이스 플레이트(420)에 대해 정위치에 수월하게 배치될 수 있다.
또한, 각 셀 어셈블리(100)는 안착 가이드 블록(315)이 2개의 지지 프레임부(422) 사이의 오목부(423)에 형합하도록 삽입되기 때문에, 도 8에서 베이스 플레이트(420)에 대해 Y축 방향으로 고정될 수 있다. 다시 말해, 베이스 플레이트(420)의 오목부(423)에 버스바 프레임(310)의 안착 가이드 블록(315)이 삽입되고, 오목부(423) 좌우측(Y축 방향)으로 구속되도록 오목부(423) 주변에 지지 프레임부(422)가 돌설되어 있기 때문에, 각 셀 어셈블리(100)가 베이스 플레이트(420)에 안착된 후에는 Y축 방향으로 움직임이 제한되는 것이다.
도 9를 참조하면, 셀 어셈블리(100)는 각각의 안착 가이드 블록(315)이 대응하는 각 오목부(423)에 삽입되어 베이스 플레이트(420)에 안착된 때, 각각의 안착 가이드 블록(315)과 지지 프레임부(422)는 셀 어셈블리(100)의 배열 방향을 따라 연속된 조립 벽체(424)를 형성하도록 구성될 수 있다. 즉, 안착 가이드 블록(315)과 지지 프레임부(422)는 서로간에 소정의 내부 공간이 상호 연통되게 배치될 수 있고, 이웃한 다른 안착 가이드 블록(315)과 지지 프레임부(422)와도 소정의 내부 공간이 상호 연통되게 배치될 수 있으며, 이러한 공간 안에 보강 부재(500)가 삽입 배치될 수 있는 것이다.
조립 벽체(424)는, 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태로 마련될 수 있으므로, 외함(400)의 삽입부(424a)를 정의하게 된다. 삽입부(424a)에, 도 9에 도시한 바와 같이, 보강 부재(500)가 측부로부터 삽입될 수 있다.
보강 부재(500)는 조립 벽체(424)의 길이에 대응하는 길이를 갖는 막대형으로 마련될 수 있다. 이러한 보강 부재(500)는 베이스 플레이트(420)의 양쪽 테두리 영역에 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
더욱 구체적으로, 조립 벽체(424)는 상부 수용벽(424_1), 하부 수용벽(424_2) 및 측부 수용벽(424_3)을 포함하게 되며, 보강 부재(500)는 직육면체 강관이다. 보강 부재(500)의 상부는 상부 수용벽(424_1)에 접하고, 보강 부재(500)의 하부는 하부 수용벽(424_2)에 접하며, 보강 부재(500)의 일 측부는 측부 수용벽(424_3)과 접할 수 있다.
베이스 플레이트(420)의 지지 프레임부(422)에 의한 상부 수용벽(424_1)과 버스바 프레임(310)의 안착 가이드 블록(315)에 의한 상부 수용벽(424_1)은 나란하게 형성이 되며 단차가 없다. 지지 프레임부(422)에 의한 하부 수용벽(424_2)과 안착 가이드 블록(315)에 의한 하부 수용벽(424_2)도 나란하게 형성이 되며 단차가 없다. 지지 프레임부(422)에 의한 측부 수용벽(424_3)과 안착 가이드 블록(315)에 의한 측부 수용벽(424_3)도 나란하게 형성이 되며 단차가 없다. 따라서, 조립 벽체(424)에 의한 내부 공간은 X축, Y축 및 Z축 방향으로 서로 연통되어 일체형 공간의 삽입부(424a)를 정의하며, 그에 따라 보강 부재(500)를 삽입부(424a)에 안정적으로 삽입할 수 있게 되어 있다. 나아가, 삽입부(424a)에 삽입된 이후 보강 부재(500)의 위치는 X축, Y축 및 Z축 방향으로 구속이 된다.
한편, 보강 부재(500)가 삽입부(424a)에서 쉽게 빠지지 않도록 도 10과 같이 베이스 클립(510)이 베이스 플레이트(420)에 장착될 수 있다. 예컨대, 보강 부재(500)가 삽입부(424a)에 삽입된 다음, 베이스 클립(510)이 베이스 플레이트(420)의 지지 프레임부(422)에 결합될 수 있다. 베이스 클립(510)은 베이스 플레이트(420)에 보강 부재(500)를 고정하기 위한 것으로, 스틸 재질의 브라켓 구조물일 수 있다.
이와 같은 실시 구성에 의하면, 모든 셀 어셈블리(100)는, 베이스 플레이트(420)에 대해 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향으로 고정될 수 있다. 즉, 각 셀 어셈블리(100)는 베이스 플레이트(420)의 (양쪽 테두리 영역) 지지 프레임부(422) 사이에 끼워져 있어 X축 방향으로도 이동이 제한된다. 보강 부재(500)에 의해 지지 프레임부(422)와 안착 가이드 블록(315)이 고정됨으로써, 안착 가이드 블록(315)의 Y축 방향 및 Z축 방향으로의 이동이 제한된다. 이후 탑 커버(410)를 더 조립하여 보강 부재(500) 유동을 2차 방지하여 배터리 팩(10)을 완성할 수 있다.
도 11은 도 1의 배터리 팩의 단면도이다. Y축 방향에 수직인 단면을 나타내었다.
도 11과 같이, 보강 부재(500)가 각 셀 어셈블리(100)의 안착 가이드 블록(315)의 내측에 삽입되어 있어, X축 방향 및 Z축 방향으로 이동이 제한된다. 그리고 전술한 바와 같이, 각 셀 어셈블리(100)의 안착 가이드 블록(315)이 오목부(423)에 삽입되어 있어 Y축 방향으로의 이동이 제한된다. 이와 같이 안착 가이드 블록(315)과 지지 프레임부(422)는 보강 부재(500)의 길이 방향 및 높이 방향으로 보강 부재(500)의 위치를 구속하는 것이기도 하다.
또한, 보강 부재(500)는 베이스 플레이트(420)의 지지 프레임부(422)와 셀 어셈블리(100)의 버스바 프레임(310)의 안착 가이드 블록(315)을 관통하여 삽입이 되므로, 보강 부재(500)는 베이스 플레이트(420)와 셀 어셈블리(100)간을 고정할 수 있다. 즉, 보강 부재(500)에 의해 외함(400)과 버스바 프레임 조립체(300)가 서로 고정될 수 있다. 이와 같이 볼트와 너트 없이도 보강 부재(500), 베이스 플레이트(420) 및 버스바 프레임(310)을 가지고 X축 방향, Z축 방향 구속할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 베이스 플레이트(420)와 버스바 프레임(310)은 사출을 통해 플라스틱 구조물로 제조될 수 있으며, 두 파트로 나누어진 베이스 플레이트(420)와 버스바 프레임(310)은 보강 부재(500) 삽입 및 사이드 고정에 의해 서로 조립, 고정된다. 볼트와 너트 없이도 베이스 플레이트(420)와 버스바 프레임(310)을 결합할 수 있고, 구조적 안전성을 보강할 수 있다.
볼트-너트는 공정 관리 측면에서 체결을 위한 토크 관리 및 체결 누락 여부, 체결 후 제품 사용에 따른 풀림 등을 지속적으로 확인 및 관리해야 한다. 체결 및 체결 확인을 위한 공정 추가로 택트 타임이 증가하는 문제도 있다. 본 발명에 따르면, 볼트-너트의 사용을 최소화할 수 있어 공정 관리 측면에서 관리가 쉬우며 택트 타임이 증가하지 않는다.
한편, 도 2와 도 3을 참조하면, 외함(400)은 베이스 플레이트(420)의 적어도 일측에 프론트 플레이트(427, front plate)를 더 포함하고, 배터리 팩(10)은 터미널 블록(700)을 더 포함하며, 프론트 플레이트(427)에 터미널 블록(700)의 이탈을 방지하는 스냅 핏(snap fit, 702) 구조의 프론트 커버(701)가 장착될 수 있다. 프론트 커버(701)는 프론트 플레이트(427)에 탈부착 가능하게 마련된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에서 터미널 블록 부분을 도시한 도면이다. 도 13은 본 발명에 따른 배터리 팩에서 터미널 블록 조립 및 고정 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 도 13의 A-A' 단면에 해당하며 프론트 커버를 조립한 후의 도면이다.
도 2와 도 12 내지 도 14를 함께 참조하면, 베이스 플레이트(420)와 프론트 플레이트(427)는 일체로 사출 성형될 수 있다.
프론트 플레이트(427)는 베이스 플레이트(420)의 일측 가장자리에 구비되는 수직인 판 형태이고, 전장품 설치부가 될 수 있다. 이를테면, 프론트 플레이트(427)의 외측면에 터미널 블록(700)이 장착되고 BMS 조립체(600)도 장착될 수 있다. 여기서, BMS 조립체(600)는 배터리 팩(10) 내의 배터리 셀(101)의 전류, 및 온도를 측정하고, 배터리 셀(101)의 충방전을 제어하도록 구성될 수 있다. 터미널 블록(700)은 배터리 팩(10)의 전극 터미널과, 퓨즈 등을 구비할 수 있다. BMS 조립체(600) 및 터미널 블록(700)을 장착하기 위하여, 프론트 플레이트(427)의 외측면에는 BMS 장착부(600A)와 터미널 블록 장착부(700A)가 마련될 수 있다. 특히, 터미널 블록 장착부(700A)는 단차부(428)를 포함하게 구성할 수 있다.
탑 커버(410)는 개구(412)를 포함할 수 있다. 터미널 블록(700)은 탑 커버(410)의 개구(412)를 통하여 프론트 플레이트(427)에 탈부착 가능하게 마련되는 프론트 커버(701)를 사용하여 노출 또는 차폐될 수 있다.
도 12를 참조하면, 터미널 블록(700)은 프론트 플레이트(427)의 단차부(428)에 장착이 될 수 있다. 종래에는 터미널 블록 조립 시 토크에 따른 회전 방지, 터미널 블록 위치 고정을 위해 볼트 체결을 하여 고정 및 회전 방지를 하고 있다. 본 발명에서는, 구조적 단차를 통해 터미널 블록(700) 회전을 방지할 수 있으며, 스냅 핏(702) 구조를 통해 터미널 블록(700)의 프론트 커버(701)를 프론트 플레이트(427)에 위치 고정할 수가 있다.
단차부(428)에서 단차로 생긴 벽으로 조립 시 위치 가이드 및 조립 후 회전 방지가 된다. 스냅 핏(702) 구조로 조립 후에는 터미널 블록(700)의 이탈이 방지된다.
종래에는 터미널 블록 조립 시 토크에 따른 회전 방지, 터미널 블록 위치 고정을 위해 볼트 체결을 하여 고정 및 회전 방지를 하고 있다. 본 발명의 이러한 실시 구성에 따르면, 단차부(428)를 이용하므로 볼트-너트 사용을 최소화한다.
한편, 프론트 플레이트(427)에는 인서트 너트(610)를 통하여 BMS 조립체(600)를 장착하도록 할 수도 있다. 별도의 BMS 하우징을 구비할 필요없이 인서트 너트(610)를 통하여 BMS 장착부(600A)에 BMS 조립체(600)를 장착할 수 있도록 플라스틱 사출시 고려하여 프론트 플레이트(427)를 마련할 수 있다.
이와 같이 프론트 플레이트(427)는 BMS 장착부(600A)와 터미널 블록 장착부(700A)가 일체로 사출을 통하여 제작이 될 수 있다. 플라스틱 사출로 절연을 만족하며 무게 감소 및 원가 절감의 효과가 있다. 또한, 터미널 블록(700) 위치 고정을 위해 볼트-너트 체결을 할 필요가 없다.
볼트-너트는 공정 관리 측면에서 체결을 위한 토크 관리 및 체결 누락 여부, 체결 후 제품 사용에 따른 풀림 등을 지속적으로 확인 및 관리해야 한다. 체결 및 체결 확인을 위한 공정 추가로 택트 타임 증가하는 문제도 있다. 본 발명에 따르면, 배터리 팩(10)에서 볼트-너트를 사용하는 고정 구조를 최소화하여, 구조적으로 내부 부품을 조립, 고정하는 구조를 제안한다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩(10)의 설계적, 관리적 관리인자를 최소화하여, 여기서 발생할 수 있는 문제 발생을 억제할 수 있다. 즉, 볼트-너트 사용 시보다 내부의 팩 구성 요소를 고정하기 위해 고려해야 할 설계 변수가 적고 볼트-너트 사용 시보다 공정 관리 측면에서 관리가 쉬우며 택트 타임이 증가하지 않는 배터리 팩(10)을 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면, 구조 단순화 부품수 감소에 따라 재료비가 절감된다. 본 발명에 따르면, 택트 타임 감소로 인해 생산성이 향상된다.
도 15는 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
에너지 저장 시스템(20)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 팩(10)을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템(20)은, 큰 에너지 용량을 갖기 위해, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)이 서로 전기적으로 연결된 형태로 다수 포함되도록 할 수 있다. 이 밖에도, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(20)은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 에너지 저장 시스템의 다른 다양한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 더욱이, 이러한 에너지 저장 시스템(20)은, 스마트 그리드 시스템이나 전기 충전 스테이션 등 다양한 장소나 장치에 사용될 수 있다.
예를 들어, 에너지 저장 시스템(20)은, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)을 포함하는 배터리 랙을 다수 포함할 수 있다. 배터리 팩(10)은, 상하 방향으로 배열된 형태로 랙 케이스(미도시)에 수용되도록 구성될 수 있다. 랙 케이스 내부에는 복수 개의 배터리 팩(10)이 상하 방향으로 서로 이격되어 탑재될 수 있다. 랙 케이스는 복수 개의 배터리 팩(10) 사이가 상하 방향으로 연통되도록 개방된 구조를 가진 수납 공간을 구비할 수 있다. 상기 배터리 랙은 복수의 배터리 팩(10)의 최상부에 랙 BMS(Battery Management System)를 구비할 수 있다. 여기서, 랙 BMS는 배터리 랙에 구비된 복수의 배터리 팩(10)의 충방전을 중앙 제어하는 배터리 관리 시스템일 수 있다. 그리고, 이러한 복수의 배터리 랙은 랙 버스바(도시하지 않음)를 통해 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(20)은 본 발명에 따른 배터리 팩(10)을 포함함으로써, 배터리 팩(10)이 가진 이점을 그대로 활용할 수 있다. 배터리 팩(10)의 전기적 절연성 및 구조적 안전성이 확보되므로, 이를 포함하는 에너지 저장 시스템(20)은 안전하다. 배터리 팩(10)의 구조적 안전성이 확보되고 무게 절감이 되므로 배터리 팩(10)의 운반과 설치가 용이하다. 배터리 팩(10)의 재료비가 절감되고 생산성이 향상되므로, 이를 포함하는 에너지 저장 시스템(20)의 생산 비용도 낮출 수 있다.
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.
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 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 팩 20 : 에너지 저장 장치
100 : 셀 어셈블리 101 : 배터리 셀
102 : 전극 리드 110, 120 : 셀 적층체
K1 : 공기층 300 : 버스바 프레임 조립체
310 : 버스바 프레임 314 : 거치판
315 : 가이드 블록 320 : 버스바
400 : 외함 410 : 탑 커버
412 : 개구 420 : 베이스 플레이트
422 : 지지 프레임부 423 : 오목부
424 : 조립 벽체 424a : 수납부
427 : 프론트 플레이트 428 : 단차부
500 : 보강 부재 510 : 베이스 클립
700 : 터미널 블록 701 : 프론트 커버
702 : 스냅 핏

Claims (17)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 셀 어셈블리;
    상기 셀 어셈블리를 수납하는 외함으로서 외측면이 내측 방향으로 함몰된 형태로 마련되는 삽입부를 길이 방향을 따라 구비하는 외함; 및
    상기 삽입부에 삽입되는 막대형 보강 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외함은
    상기 배터리 셀이 안착되는 베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트의 양측에 마련되며, 상기 삽입부를 구성하는 지지 프레임부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트와 상기 지지 프레임부는 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보강 부재는 한 쌍의 강관인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외함은 플라스틱 재질로 제작되고,
    상기 보강 부재는 금속 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보강 부재의 위치 고정을 위한 베이스 클립을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 셀 어셈블리는 서로 나란하게 배치되는 복수의 셀 어셈블리이고,
    상기 셀 어셈블리는 버스바 프레임 조립체를 포함하며,
    상기 베이스 플레이트의 상기 지지 프레임부는,
    상기 셀 어셈블리의 배열 방향으로 연장되는 테두리 영역에 구비되고, 상기 셀 어셈블리의 배열 방향을 따라 소정 간격마다 상향 돌출되어 각 상기 셀 어셈블리의 상기 버스바 프레임 조립체를 지지하도록 마련된 것임을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 서로 이웃하는 상기 지지 프레임부 사이에 마련되는 오목부를 더 포함하고,
    각 상기 셀 어셈블리의 상기 버스바 프레임 조립체는 전기 절연성 소재의 버스바 프레임을 포함하며,
    상기 버스바 프레임은
    상기 지지 프레임부의 상면에 배치되는 거치판; 및
    대응하는 상기 오목부에 삽입 가능하도록 상기 거치판에서 하방 돌출된 안착 가이드 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 거치판과 상기 안착 가이드 블록은 상기 버스바 프레임에 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 오목부는 상면에 단차를 포함하고, 상기 안착 가이드 블록의 하면은 상기 단차에 부합되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리가 각각의 상기 안착 가이드 블록이 대응하는 상기 오목부에 삽입되어 상기 베이스 플레이트에 안착된 때, 각각의 상기 안착 가이드 블록과 상기 지지 프레임부는 상기 셀 어셈블리의 배열 방향을 따라 연속된 조립 벽체를 형성하도록 구성되고, 상기 조립 벽체가 상기 삽입부를 정의하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 안착 가이드 블록과 상기 지지 프레임부는 상기 보강 부재의 길이 방향 및 높이 방향으로 상기 보강 부재의 위치를 구속하며, 상기 보강 부재에 의해 상기 외함과 상기 버스바 프레임 조립체가 서로 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서, 상기 조립 벽체는 상부 수용벽, 하부 수용벽 및 측부 수용벽을 포함하고,
    상기 보강 부재는 직육면체 강관이며,
    상기 강관의 상부는 상기 상부 수용벽에 접하고, 상기 강관의 하부는 상기 하부 수용벽에 접하며, 상기 강관의 일 측부는 상기 측부 수용벽과 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제2항에 있어서, 상기 외함은 상기 베이스 플레이트의 적어도 일측에 프론트 플레이트를 더 포함하고,
    상기 배터리 팩은 터미널 블록을 더 포함하며,
    상기 프론트 플레이트에 상기 터미널 블록의 이탈을 방지하는 스냅 핏 구조의 프론트 커버가 장착되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서, 상기 베이스 플레이트와 상기 프론트 플레이트는 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제14항에 있어서, 상기 프론트 플레이트는 상기 베이스 플레이트의 일측 가장자리에 구비되는 수직인 판 형태이고,
    상기 프론트 플레이트의 외측면에 상기 터미널 블록이 장착되며,
    상기 배터리 팩은 개구가 형성된 탑 커버를 더 포함하여,
    상기 터미널 블록은 상기 탑 커버의 상기 개구를 통하여 상기 프론트 플레이트에 탈부착 가능하게 마련되는 상기 프론트 커버를 사용하여 노출 또는 차폐되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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