KR20240077122A - 배터리 팩 - Google Patents

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KR20240077122A
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battery pack
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이승훈
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에스케이온 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 복수의 배터리 셀이 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 상기 복수의 배터리 셀의 높이 방향으로 적층되는 제1 서브 배터리 팩 및 제2 서브 배터리 팩; 및 상기 제1 서브 배터리 팩 및 상기 제2 서브 배터리 팩 사이에 배치되며, 냉각 유로가 마련된 히트싱크;를 포함하고, 상기 제1 서브 배터리 팩과 상기 제2 서브 배터리 팩은 상기 히트싱크에 대하여 대칭을 이루도록 배치될 수 있다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 화학 에너지와 전기 에너지 간의 상호변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지를 의미한다.
이러한 이차전지는 모바일 기기를 포함하여, 최근 주목받고 있는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 등의 에너지원으로 활용될 수 있다.
이차전지는 유연성을 지닌 파우치형 배터리 셀이나 강성을 가진 각형 또는 원통형의 캔형 배터리 셀로 제조된 하나 이상의 배터리 셀들이 전기적으로 연결된 형태로 사용될 수 있으며, 특히, 고출력 특성이 요구되는 전기 자동차 등의 경우에는 다수 개의 배터리 셀들이 적층된 형태의 하나 이상의 셀 적층체가 전기적으로 연결된 배터리 모듈 또는 하나 이상의 배터리 모듈이 전기적으로 연결된 배터리 팩의 형태로 사용될 수 있다.
한편, 이차전지의 성능은 온도에 크게 영향을 받을 수 있다. 특히, 이차전지의 온도가 적정 온도보다 높아지게 되면 이차전지의 성능이 저하됨은 물론 심한 경우 폭발 및 발화의 위험이 존재하며, 이러한 위험성은 하나 이상의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈이나 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에서 증대될 수 있다.
이에 배터리 모듈 및/또는 팩은 히트싱크(heat sink)와 같이 배터리 셀들을 냉각시키는 구성을 필요로 하며, 배터리 모듈 및/또는 팩을 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 방안들이 연구되고 있다.
본 발명은 효율적인 냉각 구조를 갖는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 에너지 밀도가 증가된 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 복수의 배터리 셀이 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 상기 복수의 배터리 셀의 높이 방향으로 적층되는 제1 서브 배터리 팩 및 제2 서브 배터리 팩; 및 상기 제1 서브 배터리 팩 및 상기 제2 서브 배터리 팩 사이에 배치되며, 냉각 유로가 마련된 히트싱크;를 포함하고, 상기 제1 서브 배터리 팩과 상기 제2 서브 배터리 팩은 상기 히트싱크에 대하여 대칭을 이루도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀은, 케이스; 및 상기 케이스의 일측으로 돌출된 전극 단자를 포함하고, 상기 전극 단자가 돌출되지 않은 상기 케이스의 타측이 상기 히트싱크를 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈은, 상기 전극 단자를 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하고, 상기 케이스의 일측에서 상기 복수의 배터리 셀을 덮도록 배치되는 버스바 어셈블리를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 히트싱크 사이에 배치되는 열전도부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈과 결합되는 팩 프레임; 및 상기 팩 프레임과 결합되며, 상기 복수의 배터리 모듈을 기준으로 상기 히트싱크의 타측에 배치되는 팩 커버;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 팩 커버 사이에 배치되는 압축패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 히트싱크는, 상기 제1 서브 배터리 팩 측에 배치되어 상기 제1 서브 배터리 팩을 냉각시키는 제1 서브 히트싱크; 및 상기 제2 서브 배터리 팩 측에 배치되어 상기 제2 서브 배터리 팩을 냉각시키는 제2 서브 히트싱크;를 포함하고, 상기 제1 서브 히트싱크와 상기 제2 서브 히트싱크는 구조적으로 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 서브 히트싱크는 제1 냉각 유로를 포함하고, 상기 제2 서브 히트싱크는 제2 냉각 유로를 포함하며, 상기 제1 냉각 유로와 상기 제2 냉각 유로는 서로 독립적인 냉각수의 유동 경로를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 히트싱크는, 상기 제1 서브 히트싱크와 상기 제2 서브 히트싱크 사이에 형성된 중공부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 팩 커버는, 상기 팩 프레임측으로 돌출 형성되며, 상기 팩 프레임과 결합되는 체결부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 팩 커버는, 바닥면을 형성하는 하부 팩 커버와 상면을 형성하는 상부 팩 커버를 포함하고, 상기 하부 팩 커버에는 상기 하부 팩 커버의 폭 방향으로 연장되며, 상기 체결부와 반대 방향으로 돌출된 형태의 보강부재가 더 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 서브 배터리 팩 및 상기 제2 서브 배터리 팩은 n×m 배열(n, m은 1 이상의 자연수)을 이루는 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 히트싱크; 및 상기 히트싱크의 상측 및 하측에 각각 배치되고, 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 모듈;을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀은 전극 단자가 상기 히트싱크의 반대측을 향하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 단자가 향하는 측에서 상기 복수의 배터리 모듈을 각각 덮도록 배치되는 팩 커버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 히트싱크와 상기 팩 커버 사이에 배치되며, 상기 복수의 배터리 모듈, 상기 히트싱크 및 상기 팩 커버 중 적어도 어느 하나와 결합되는 팩 프레임을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 효율적인 냉각 구조를 가지며, 이를 통해 에너지 밀도가 개선될 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 y 방향 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
도 6은 도 5의 변형 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
도 8은 도 7의 변형 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어를 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서, 서로 다른 실시예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명할 수 있다. 즉, 복수의 도면들에서 동일한 참조번호를 가지는 구성요소를 도시하고 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 모두 하나의 실시예를 의미하는 것은 아니다.
이하의 설명에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르지 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. "포함한다"또는 "구성한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들이 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, 이하의 설명에서 상측, 상부, 하측, 하부, 측면, 전면, 후면 등의 표현은 도면에 도시된 방향을 기준으로 표현한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 자세하게는 차량, 특히, 트럭이나 벤 등과 같이 대형 차량에 탑재 가능한 배터리 팩에 관한 것이다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 y 방향 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 배터리 팩(1000)의 높이 방향(도면 기준 z 방향)으로 적층 배치된 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 배터리 팩(1000)은 z 방향으로 하부에 배치되는 제1 서브 배터리 팩(1100)과 z 방향으로 상부에 배치되는 제2 서브 배터리 팩(1200)을 포함할 수 있으며, 제1 서브 배터리 팩(1100)과 제2 서브 배터리 팩(1200)은 하나 이상의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다.
제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 도면 기준 x 방향 및 y 방향으로 배열된 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다. 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 n×m 배열(n, m은 1 이상의 자연수)을 이루는 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 도면과 같이, 2×3 배열(y 방향×x 방향)을 이루는 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다. 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 z 방향으로 배열되므로, 본 발명의 일 실시예에서 복수의 배터리 모듈(100)은 2×3×2 배열을 이룰 수 있다.
배터리 모듈(100)은 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀(10)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)은 도면 기준 x 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀(10)을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 복수의 배터리 셀(10)은 각형 배터리 셀일 수 있다. 각형 배터리 셀은 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 케이스가 납작하고 각진 형태를 갖는 배터리 셀을 의미할 수 있다. 도면을 참조하면, 복수의 배터리 셀(10)은 케이스의 넓은 면이 대면하도록 x 방향으로 배열될 수 있다.
또한, 일 실시예로, 복수의 배터리 셀(10)은 일측에 외부로 돌출된 형태의 전극 단자(15)를 포함할 수 있으며, 복수의 배터리 셀(10)은 전극 단자(15)를 통해 전기적으로 상호 연결될 수 있다. 복수의 배터리 셀(10)은 전극 단자(15)가 동일한 방향에 놓이도록 배열될 수 있다. 도면을 참조하면, 복수의 각형 배터리 셀(10)은 전극 단자(15)가 z 방향에 놓이도록 배열될 수 있으며, 이 때, z 방향은 상하 방향 중 어느 한 방향을 의미할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 배터리 모듈(100)의 측면을 형성하는 모듈 하우징(110)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 모듈 하우징(110)은 복수의 배터리 셀(10)의 측면을 감싸도록 배치될 수 있으며, 복수의 배터리 셀(10)의 상면 및 하면은 감싸지 않을 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 모듈 하우징(110)이라는 포괄적인 용어를 사용하여 설명하였으나, 모듈 하우징(110)은 복수의 플레이트들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 모듈 하우징(110)은 배터리 모듈(100)의 길이 방향에 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(end plate) 및/또는 배터리 모듈(100)의 폭 방향에 배치되는 한 쌍의 사이드 플레이트(side plate)를 포함할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(10)의 일측에 배치되는 버스바 어셈블리(120)를 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀(10)의 일측으로는 전극 단자(15)가 돌출될 수 있으며, 버스바 어셈블리(120)는 복수의 배터리 셀(10)의 전극 단자(15)가 돌출된 일측에 배치될 수 있다. 도면에서, 버스바 어셈블리(120)는 복수의 배터리 셀(10)의 z 방향에 배치될 수 있다.
버스바 어셈블리(120)는 전극 단자(15)와 전기적으로 연결되는 버스바(121) 및 버스바(121)가 배치되는 버스바 프레임(122)을 포함할 수 있다. 또한, 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 버스바 어셈블리(120)는 버스바(121)와 전기적으로 연결되어 복수의 배터리 셀(10)의 전압, 온도 정보 등을 전달받는 FPCB를 포함할 수 있다.
버스바 프레임(122)은 전기적으로 절연성 있는 재질로 형성될 수 있으며, 복수의 배터리 셀(10)의 전극 단자(15)가 돌출된 상면 또는 하면을 덮도록 배치될 수 있다. 일 실시예로, 버스바 프레임(122)은 전극 단자(15)와 대응하는 위치에 복수의 홀을 포함할 수 있으며, 전극 단자(15)는 복수의 홀을 통해 노출될 수 있다.
버스바 프레임(122)에는 버스바(121)가 배치될 수 있다. 버스바(121)는 버스바 프레임(122)을 통해 노출된 복수의 배터리 셀(10)의 전극 단자(15)를 전기적으로 상호 연결할 수 있다. 첨부된 도면에는, 복수의 배터리 셀(10)이 버스바(121)를 통해 직렬로 연결되는 실시예가 도시되어 있으나, 병렬로 연결되는 구조도 가능하다.
배터리 팩(1000)은 배터리 팩(1000) 또는 서브 배터리 팩(1100, 1200)의 외관을 형성하는 팩 프레임(1010) 및 팩 커버(1020, 1030)를 포함할 수 있다.
팩 프레임(1010)은 배터리 팩(1000) 또는 서브 배터리 팩(1100, 1200)의 측면을 형성할 수 있으며, 복수의 배터리 모듈(100) 사이에 배치되어 개별 배터리 모듈(100)이 배치되는 공간(1011)을 구획할 수도 있다. 도면을 참조하면, 팩 프레임(1010)은 체결볼트(1050)에 의해 모듈 하우징(110)과 결합될 수 있으며, 이에 따라 배터리 모듈(100)은 팩 프레임(1010)에 고정될 수 있다.
팩 커버(1020, 1030)는 배터리 팩(1000)의 상면 및 하면을 형성할 수 있다. 또는, 서브 배터리 팩(1100, 1200) 측면에서, 팩 커버(1020, 1030)는 서브 배터리 팩(1100, 1200)의 상면 또는 하면을 형성할 수 있다.
팩 커버(1020, 1030)는 팩 프레임(1010)과 결합될 수 있다. 일 실시예로, 팩 커버(1020, 1030)는 플랫(flat)한 형상일 수 있으며, 팩 커버(1020, 1030)의 형상은 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)이 복수의 배터리 셀(10)의 높이 방향인 z 방향(또는 상하 방향)으로 적층된 형태일 수 있으며, 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200) 사이에는 히트싱크(1300)가 배치될 수 있다. 즉, 배터리 팩(1000)은 z 방향을 따라 차례로 제1 서브 배터리 팩(1100), 히트 싱크(1300) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)이 배치된 형태일 수 있다(그리고 제1 서브 배터리 팩(1100)의 하부와 제2 서브 배터리 팩(1200)의 상부에는 팩 커버(1020, 1030)가 배치될 수 있다).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 히트싱크(1300)를 공유할 수 있으며, 이는 곧 배터리 팩(1000)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)이 히트싱크(1300)를 공유한다는 것을 의미할 수 있다.
제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 히트싱크(1300)를 공유하기 위해 복수의 배터리 모듈(100)의 전극 단자(15)가 돌출되지 않은 타측이 히트싱크(1300)를 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 도면과 같이 히트싱크(1300)를 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
보다 자세하게, 제1 서브 배터리 팩(1100)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)과 제2 서브 배터리 팩(1200)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)은 버스바 어셈블리(120)가 배치되는 방향이 상이할 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈(100)은 버스바 어셈블리(120)가 팩 커버(1020, 1030)를 향하도록 배치될 수 있으며, 따라서 제1 서브 배터리 팩(1100)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)은 버스바 어셈블리(120)가 배터리 팩(1000)의 하부를 향하도록 배치되고, 제2 서브 배터리 팩(1200)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)은 버스바 어셈블리(120)가 배터리 팩(1000)의 상부를 향하도록 배치될 수 있다. 다시 말하면, 제1 서브 배터리 팩(1100)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)은 배터리 모듈(100)에 포함된 복수의 배터리 셀(10)의 전극 단자(15)가 배터리 팩(1000)의 하부를 향하도록 배치되고, 제2 서브 배터리 팩(1200)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)은 배터리 모듈(100)에 포함된 복수의 배터리 셀(10)의 전극 단자(15)가 배터리 팩(1000)의 상부를 향하도록 배치될 수 있다.
히트싱크(1300)는 팩 프레임(1010)과 결합되는 금속 플레이트(1310) 및 금속 플레이트(1310) 내부에 마련된 냉매(냉각수)가 유동하는 냉각 유로(1320)를 포함할 수 있다. 또한, 도면에는 구체적으로 도시되지 않았으나, 냉각 유로(1320)로 냉각수를 공급하는 유입구(inlet)와 냉각 유로(1320)를 유동한 냉각수를 외부로 배출시키는 배출구(outlet)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크를 설명하는 도면이다.
히트싱크(1300)는 압출 공법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 금속 플레이트(1310)는 제1 서브 배터리 팩(1100) 측의 제1면과 제2 서브 배터리 팩(1200) 측의 제2면이 냉각 유로(1320)를 사이에 두고 합쳐진 형태일 수 있다.
다른 실시예로, 히트싱크(1300)는 브레이징 공법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 제1 서브 배터리 팩(1100) 측의 제1면을 포함하는 제1 플레이트와 제2 서브 배터리 팩(1200) 측의 제2면을 포함하는 제2 플레이트는 포밍(forming) 또는 시트 프레싱(sheet pressing)을 통해 제작될 수 있다. 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 각각의 면착부에 용제를 도포한 후 열을 가하여 서로 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈(100)과 팩 커버(1020, 1030) 사이에는 압축패드(compression pad)(1400)가 더 배치될 수 있다. 압축패드(1400)는 복수의 배터리 모듈(100)과 팩 커버(1020, 1030) 사이의 간격을 유지시키면서, 팩 커버(1020, 1030)와 팩 프레임(1010)이 결합된 상태에서 복수의 배터리 모듈(100)과 팩 커버(1020, 1030) 사이에 형성되는 공간을 메꾸어 외부 충격을 흡수할 수 있다. 나아가, 압축부재(1400)는 복수의 배터리 모듈(100)을 히트싱크(1300) 측으로 밀착시켜 복수의 배터리 모듈(100)의 냉각을 도울 수 있다. 예를 들어, 압축패드(1400)는 폴리우레탄 폼 또는 이와 유사한 성질의 재질로 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈(100)과 히트싱크(1300) 사이에는 열전도부재(1500)가 더 배치될 수 있다. 열전도부재(1500)는 복수의 배터리 셀(10)에서 발생한 열이 신속하게 히트싱크(1300)로 전달될 수 있도록 하면서 복수의 배터리 모듈(100)을 히트싱크(1300)에 고정시킬 수 있다. 예를 들어, 열전도부재(1500)는 열전도 특성이 우수하면서 접착력을 갖는 열전도성 수지(thermal resin) 재질일 수 있으며, 보다 구체적으로는 실리콘, 아크릴 등이 열전도부재(1500)가 될 수 있다. 또한, 열전도부재(1500)는 페이스트 또는 패드 타입으로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 복수의 배터리 모듈(100)이 x 및 y 방향 이외에 z 방향으로도 적층되므로 고용량을 구현할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 트럭이나 벤 등과 같이 고용량이 요구되면서 비교적 공간 제약이 적은(특히, 배터리 팩(1000)의 높이 방향으로 공간 제약이 적은) 대형 차량용으로 적합할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 복수의 배터리 모듈(100)을 포함하는 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)이 히트싱크(1300)를 사이에 두고 상하로 배치된 형태로서, 단일 히트싱크(1300)로 상하로 배치된 복수의 배터리 모듈(100)에 대한 냉각이 이루어지는 효율적인 냉각 구조를 가질 수 있다.
나아가, 상기와 같이 단일 히트싱크(1300)를 포함하는 실시예에 따르면, 히트싱크(1300) 부품이 최소한으로 구비되므로, 비용 절감 및 에너지 밀도 개선의 효과를 가질 수 있다.
특히, 히트싱크(1300)에 냉각수가 공급되거나 히트싱크(1300)로부터 냉각수가 배출되는 과정에서 냉각수가 누출될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 히트싱크(1300) 부품이 최소한으로 구비되므로, 냉각수의 누출이 일어나는 지점(leak point) 또한 최소화될 수 있다.
다음으로는, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이고, 도 6은 도 5의 변형 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 도 1 내지 도 3에 도시된 배터리 팩(1000)과 상이한 형상의 팩 커버(1020, 1030)를 포함할 수 있으며, 이는 배터리 팩(1000)의 구조적 안정성을 증대시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 팩 커버(1020, 1030)는 팩 프레임(1010)측으로 돌출된 체결부(1021, 1031)를 포함할 수 있으며, 팩 커버(1020, 1030)는 체결부(1021, 1031)를 통해 팩 프레임(1010)과 추가로 결합될 수 있다.
팩 커버(1020, 1030)는 도 1 내지 도 3의 실시예에서 팩 프레임(1010)과 결합되지 않은 부분, 즉, 복수의 배터리 모듈(100) 사이에 배치된 팩 프레임(1010)과 마주보는 부분에 체결부(1021, 1031)를 포함할 수 있다. 팩 커버(1020, 1030)와 팩 프레임(1010)은 체결부(1021, 1031) 및 체결부(1021, 1031)의 내측에 배치되는 팩 프레임(1010)을 관통하는 체결볼트(1060)에 의해 상호 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 배터리 팩(1000)의 골격을 이루는 팩 프레임(1010)과 팩 커버(1020, 1030)이 더 많은 지점에서 결합되므로, 구조적인 측면에서 배터리 팩(1000)의 안정성이 증대될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 서브 배터리 팩(1100)의 하부에 배치되는 팩 커버(이하, 하부 팩 커버)(1020)에는 배터리 팩(1000)의 구조적 강성을 증대시키기 위해 복수의 보강부재(1023)가 더 배치될 수 있다.
보강부재(1023)는 하부 팩 커버(1020)(또는 배터리 팩(1000))의 폭 방향으로 연장되며, 체결부(1021)와 반대 방향으로 돌출된 바(bar) 형태일 수 있다.
보강부재(1023)는 체결부(1021)가 형성된 부분을 포함하여 하부 팩 커버(1020)의 길이 방향을 따라 소정 간격으로 이격 배치될 수 있으며, 용접을 통해 하부 팩 커버(1020)와 결합될 수 있다.
다음으로는, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이고, 도 8은 도 7의 변형 실시예에 따른 배터리 팩의 x 방향 측단면도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 도 1 내지 도 3에 도시된 배터리 팩(1000)과 상이한 형상의 히트싱크(1300)를 포함할 수 있으며, 이는 배터리 팩(1000)의 냉각 성능을 증대시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 모듈(1200) 사이에는 상하로 분리 배치된 2개의 냉각 유로(1320: 1321, 1322)를 포함하는 히트싱크(1300)가 배치될 수 있다.
일 실시예로, 히트싱크(1300)는 제1 서브 배터리 팩(1100) 측에 배치되어 제1 서브 배터리 팩(1100)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)을 냉각시키는 제1 냉각 유로(1321)와, 제2 서브 배터리 팩(1200) 측에 배치되어 제2 서브 배터리 팩(1200)에 포함된 복수의 배터리 모듈(100)을 냉각시키는 제2 냉각 유로(1322)를 포함할 수 있다.
제1 냉각 유로(1321) 및 제2 냉각 유로(1322)는 각각 2개의 금속 플레이트(1310) 사이에 마련될 수 있다. 이하에서는, 제1 냉각 유로(1321)를 포함하는 부분을 제1 서브 히트싱크(1300a), 제2 냉각 유로를 포함하는 부분을 제2 서브 히트싱크(1300b)라고 한다.
제1 서브 히트싱크(1300a)와 제2 서브 히트싱크(1300b)는 일체화(또는 구조적으로 연결)되어 단일 히트싱크(1300) 형태로 제작될 수 있다. 이 상태에서, 제1 서브 히트싱크(1300a)는 제1 서브 배터리 팩(1100) 측에 배치되고, 제2 서브 히트싱크(1300b)는 제2 서브 배터리 팩(1200) 측에 배치될 수 있다.
도 7에 도시된 실시예는, 도 1 내지 3에 도시된 실시예와 같이 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)이 하나의 히트싱크(1300)를 공유하는 구조일 수 있다.
다만, 차이가 있다면, 제1 냉각 유로(1321)와 제2 냉각 유로(1322)는 서로 연결되지 않고 독립적인 냉각수의 유동 경로를 형성할 수 있으며, 냉각수의 공급 및 배출 또한 독립적으로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 히트싱크(1300)는 각각의 서브 히트싱크(1300a, 1300b)와 연결되는 유입구 및 배출구를 각각 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)은 단일의 히트싱크(1300)를 공유하되 서로 독립적으로 냉각이 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 배터리 팩(1000)은 제1 서브 배터리 팩(1100) 및 제2 서브 배터리 팩(1200)이 2개의 냉각 유로(1320)를 포함하는 히트싱크(1300)를 공유하는 구조를 가지므로, 냉각 성능 측면에서 유리할 수 있다.
도 8을 참조하면, 히트싱크(1300)는 배터리 팩(1000)의 열적 안정성을 위해 제1 서브 히트싱크(1300a)와 제2 서브 히트싱크(1300b) 사이에 중공부(1330)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 냉각 유로(1321)와 제2 냉각 유로(1322)는 중공부(1330)에 의해 서로 접촉되지 않고 상하 방향으로 이격될 수 있다.
중공부(1330)는 에어 갭(air gap)으로서 단열부재의 역할을 할 수 있다. 자세하게, 히트싱크(1300)는 열전도 특성이 우수한 재질로 형성되는 것이 냉각 성능 및 효율 측면에서 유리하다. 그러나 이러한 재질의 특성으로 인해 특정 배터리 셀(10)에서 이벤트 발생 시 인접한 배터리 모듈(100), 나아가 인접한 서브 배터리 팩(1100 또는 1200)으로 쉽게 열 전파가 될 수 있다는 문제가 있다.
그러나, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 히트싱크(1300)는 제1 서브히트싱크(1300a)와 제2 서브 히트싱크(1300b) 사이에 단열부재의 역할을 하는 중공부(1330)를 포함하며, 이에 따라 제1 냉각 유로(1321)와 제2 냉각 유로(1322) 사이의 열교환 속도가 늦춰지므로, 제1 서브 배터리 팩(1100)과 제2 서브 배터리 팩(1200) 사이의 열 전파를 지연시킬 수 있다.
예를 들어, 전술한 구조에 따르면, 제1 서브 배터리 팩(1100)에 포함된 배터리 셀(10)에서 이벤트가 발생하는 경우, 적어도 제1 서브 배터리 팩(1100)에서 제2 서브 배터리 팩(1200)으로의 열 전파를 지연시킴으로써, 배터리 팩(1000)의 열 폭주 등 이벤트 상황이 악화되는 것을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100: 배터리 모듈
1000: 배터리 팩
1010: 팩 프레임
1020, 1030: 팩 커버
1100: 제1 서브 배터리 팩
1200: 제2 서브 배터리 팩
1300: 히트싱크
1400: 압축패드
1500: 열전도부재

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀이 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 상기 복수의 배터리 셀의 높이 방향으로 적층되는 제1 서브 배터리 팩 및 제2 서브 배터리 팩; 및
    상기 제1 서브 배터리 팩 및 상기 제2 서브 배터리 팩 사이에 배치되며, 냉각 유로가 마련된 히트싱크;를 포함하고,
    상기 제1 서브 배터리 팩과 상기 제2 서브 배터리 팩은 상기 히트싱크에 대하여 대칭을 이루도록 배치되는, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀은, 케이스; 및
    상기 케이스의 일측으로 돌출된 전극 단자를 포함하고,
    상기 전극 단자가 돌출되지 않은 상기 케이스의 타측이 상기 히트싱크를 향하도록 배치되는, 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈은, 상기 전극 단자를 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하고, 상기 케이스의 일측에서 상기 복수의 배터리 셀을 덮도록 배치되는 버스바 어셈블리를 포함하는, 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈과 상기 히트싱크 사이에 배치되는 열전도부재를 더 포함하는, 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈과 결합되는 팩 프레임; 및
    상기 팩 프레임과 결합되며, 상기 복수의 배터리 모듈을 기준으로 상기 히트싱크의 타측에 배치되는 팩 커버;를 포함하는, 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈과 상기 팩 커버 사이에 배치되는 압축패드를 더 포함하는, 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 히트싱크는, 상기 제1 서브 배터리 팩 측에 배치되어 상기 제1 서브 배터리 팩을 냉각시키는 제1 서브 히트싱크; 및
    상기 제2 서브 배터리 팩 측에 배치되어 상기 제2 서브 배터리 팩을 냉각시키는 제2 서브 히트싱크;를 포함하고,
    상기 제1 서브 히트싱크와 상기 제2 서브 히트싱크는 구조적으로 서로 연결된, 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 서브 히트싱크는 제1 냉각 유로를 포함하고, 상기 제2 서브 히트싱크는 제2 냉각 유로를 포함하며,
    상기 제1 냉각 유로와 상기 제2 냉각 유로는 서로 독립적인 냉각수의 유동 경로를 형성하는, 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 히트싱크는, 상기 제1 서브 히트싱크와 상기 제2 서브 히트싱크 사이에 형성된 중공부를 더 포함하는, 배터리 팩.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 팩 커버는, 상기 팩 프레임측으로 돌출 형성되며, 상기 팩 프레임과 결합되는 체결부를 더 포함하는, 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 팩 커버는, 바닥면을 형성하는 하부 팩 커버와 상면을 형성하는 상부 팩 커버를 포함하고,
    상기 하부 팩 커버에는 상기 하부 팩 커버의 폭 방향으로 연장되며, 상기 체결부와 반대 방향으로 돌출된 형태의 보강부재가 더 배치되는, 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 서브 배터리 팩 및 상기 제2 서브 배터리 팩은 n×m 배열(n, m은 1 이상의 자연수)을 이루는 복수의 배터리 모듈을 포함하는, 배터리 팩.
  13. 히트싱크; 및
    상기 히트싱크의 상측 및 하측에 각각 배치되고, 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 모듈;을 포함하고,
    상기 복수의 배터리 셀은 전극 단자가 상기 히트싱크의 반대측을 향하도록 배열되는, 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전극 단자가 향하는 측에서 상기 복수의 배터리 모듈을 각각 덮도록 배치되는 팩 커버를 더 포함하는, 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 히트싱크와 상기 팩 커버 사이에 배치되며, 상기 복수의 배터리 모듈, 상기 히트싱크 및 상기 팩 커버 중 적어도 어느 하나와 결합되는 팩 프레임을 더 포함하는, 배터리 팩.
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