KR20240078828A

KR20240078828A - 배터리 팩

Info

Publication number: KR20240078828A
Application number: KR1020220161418A
Authority: KR
Inventors: 이승훈
Original assignee: 에스케이온 주식회사
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-06-04

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 내부공간을 구획하는 복수의 프레임을 포함하는 팩 하우징; 및 상기 복수의 프레임에 의해 구획되는 공간에 각각 배치되며, 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 모듈;을 포함하고, 상기 복수의 프레임은, 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 연장되며, 냉각 유로를 포함하는 제1 프레임; 및 상기 팩 하우징의 길이 방향으로 연장되며, 벤팅 유로를 포함하는 제2 프레임;을 포함할 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, 배터리 셀은 충방전 과정에서 열이 발생할 수 있으며, 배터리 셀이 충분히 냉각되지 못하고 열이 축적되면 심한 경우 발화 또는 폭발로 이어질 수 있다. 이러한 위험성은 하나 이상의 배터리 팩에서 더욱 증대될 수 있으며, 이에 따라 배터리 팩에는 배터리 팩에 포함된 배터리 모듈들을 냉각시키는 구성이 반드시 포함되어야 한다.

또한, 배터리 팩에는 자동차 등에 탑재된 상태에서 외부 충격, 진동 등이 가해질 수 있으며, 이 경우 팩 케이스의 변형, 전기적 단락 또는 단선이 발생할 수 있다. 따라서, 배터리 팩은 외부 충격 등에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강성이 확보되어야 하며, 이를 위해 프레임 (또는빔(beam))이 배치될 수 있다.

그러나 배터리 팩이 배터리 팩 운용에 필수적이거나 성능 향상을 위한 구성들을 모두 포함하게 되면 그만큼 배터리 모듈이 탑재될 수 있는 공간이 줄어들게 되어 에너지 밀도가 낮아지게 되는 문제가 있다.

따라서 이들을 모두 충족시킬 수 있는 구조의 배터리 팩에 대한 개발이 요구된다.

본 발명은 팩의 구조체인 프레임과 히트싱크 또는 덕트가 통합된 형태의 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 에너지 밀도가 증가된 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 프레임은, 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 연장되며, 단열부재를 포함하는 제3 프레임을 더 포함하고, 상기 제3 프레임은 상기 제1 프레임 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀은 전극 단자 및 벤팅부가 구비된 일측이 상기 제3 프레임을 향하도록 배치된 상태에서 상기 팩 하우징의 폭 방향을 따라 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 제2 프레임과 이격되도록 배치되고, 상기 제3 프레임보다 상기 제1 프레임 측으로 치우치도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 제1 프레임 사이에 배치되는 열전도부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 팩 하우징은 하부 플레이트를 더 포함하고, 상기 하부 플레이트는 상기 내부공간과 상기 벤팅 유로를 연통하는 복수의 벤팅 홀을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 플레이트는 상기 복수의 프레임에 의해 구획되어 상기 복수의 배터리 모듈이 배치되는 공간마다 상기 복수의 벤팅 홀을 포함하며, 상기 복수의 벤팅 홀은 상기 공간에서 상기 팩 하우징의 폭 방향을 따라 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 프레임은, 상기 팩 하우징의 길이 방향으로 연장되며, 상기 제2 프레임 사이에 배치되어 상기 내부공간을 폭 방향으로 구획하는 제4 프레임을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 프레임은, 상기 복수의 배터리 모듈 측으로 돌출되며 상기 복수의 배터리 모듈의 길이 방향으로 이격 구비되는 한 쌍의 리브면을 더 포함하며, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 한 쌍의 리브면 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열전도부재는 상기 한 쌍의 리브면 사이에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈의 상측에서 상기 제3 프레임 및 상기 복수의 배터리 모듈과 겹쳐지도록 배치되는 브라켓을 더 포함하며, 상기 브라켓은 상기 제3 프레임과 체결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 브라켓과 겹쳐지는 부분에 제1 경사면을 포함하고, 상기 브라켓은 상기 복수의 배터리 모듈과 겹쳐지는 부분에 상기 제1 경사면과 대응하는 형상의 제2 경사면을 포함할 수 있다.

또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 내부공간을 구획하는 복수의 프레임을 포함하는 팩 하우징; 및 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 모듈;을 포함하고, 상기 복수의 프레임은, 냉각 유로를 포함하며, 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키도록 구성되는 제1 프레임; 및 상기 복수의 배터리 모듈에서 배출된 가스를 외부로 배출시키도록 상기 가스가 유동하는 벤팅 유로를 포함하는 제2 프레임;을 포함하며, 상기 복수의 배터리 모듈은 적어도 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임에 의해 구획되는 공간에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 모듈은, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 제1 프레임 사이에는 에어 갭을 포함하지 않고, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 제2 프레임 사이에는 에어 갭을 포함하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀은 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 배열되고, 상기 제1 프레임은 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 연장되며, 상기 제2 프레임은 상기 팩 하우징의 길이 방향으로 연장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 팩 하우징은 상기 내부공간과 상기 벤팅 유로가 연통되도록 복수의 벤팅 홀을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 프레임은, 단열부재를 포함하며, 상기 제1 프레임 사이에 배치되는 제3 프레임을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 배터리 셀의 일측에는 전극 단자 및 벤팅부가 구비되고, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 복수의 배터리 셀의 일측이 상기 제3 프레임을 향하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 내부공간을 효율적으로 활용 가능하며, 이를 통해 에너지 밀도가 개선될 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 하우징의 평면도이다.
도 2는 도 1에 배터리 모듈이 배치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 배터리 모듈 내 배터리 셀의 배열을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 배터리 모듈의 일측을 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 등의 배출 경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 I-I'의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 팩 하우징의 평면도이다.
도 8은 도 7의 II-II'의 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩에 배터리 모듈을 조립하는 순서를 설명하기 위한 도면이다.

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.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 하우징의 평면도이고, 도 2는 도 1에 배터리 모듈이 배치된 상태를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 배터리 모듈 내 배터리 셀의 배열을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 배터리 모듈의 일측을 나타낸 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 팩 하우징(1010) 및 팩 하우징(1010)에 배치되는 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다. 또한, 이하의 설명에서는 생략되나 배터리 팩(1000)은 복수의 배터리 모듈(100)을 덮도록 팩 하우징(1010)에 결합되는 팩 커버(미도시)도 포함할 수 있다.

팩 하우징(1010)은 복수의 배터리 모듈(100)이 수용되도록 내부공간(1017)이 구비될 수 있다. 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)은 복수의 배터리 모듈(100)이 개별적으로 수용되도록 복수의 공간으로 구획될 수 있다.

팩 하우징(1010)은 하부 플레이트(1011) 및 복수의 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)을 포함할 수 있다. 하부 플레이트(1011)는 배터리 팩(1000)의 바닥면을 이루며, 복수의 배터리 모듈(100)이 올려질 수 있다. 복수의 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)은 배터리 팩(1000)의 측면을 이루거나, 복수의 배터리 모듈(100)이 배치되도록 내부공간(1017)을 구획하는 격벽이 될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)은 제1 내지 제4 프레임을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)은 배치되는 위치 및 기능에 따라 구별될 수 있다. 자세하게, 복수의 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)은 배터리 팩(1000)의 측면 또는 내부공간(1017)을 구획하는 격벽이되는 구조체이면서 배치되는 위치에 따라 선택적으로 추가의 기능을 가질 수 있으며, 이에 따라 제1 내지 제4 프레임으로 구별될 수 있다. 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013. 1014, 1015)에 대한 설명은 후술한다.

배터리 팩(1000)은 도면 기준 x 방향 및 y 방향으로 배열된 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(1000)은 n×m 배열(n, m은 1 이상의 자연수)을 이루는 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 도면과 같이, 4×2 배열(x 방향×y 방향)을 이루는 복수의 배터리 모듈(100)을 포함할 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 y 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀(10)을 포함할 수 있다.

도 3은 도 2의 배터리 모듈 내 배터리 셀의 배열을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 2의 x 방향 측단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 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 y 방향으로 배열될 수 있다.

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 x 방향에 놓이도록 배열될 수 있으며, 이 때, x 방향은 팩 하우징(1010)의 길이 방향을 의미할 수 있다.

또한, 복수의 배터리 셀(10)은 일측에 케이스 내부에 발생한 가스를 외부로 배출시키는 벤팅부를 포함할 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 x 방향에 배치될 수 있다.

버스바 어셈블리(120)는 전극 단자(15)와 전기적으로 연결되는 버스바(121) 및 버스바(121)가 배치되는 버스바 프레임(미도시)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 프레임은 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 프레임은 전극 단자(15)와 대응하는 위치에 복수의 홀을 포함할 수 있으며, 전극 단자(15)는 복수의 홀을 통해 노출될 수 있다.

버스바 프레임에는 버스바(121)가 배치될 수 있다. 버스바(121)는 버스바 프레임을 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.

복수의 배터리 모듈(100)은 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)에 의해 구획되는 공간에 배치될 수 있다. 제1 프레임(1012) 및 제2 프레임(1013)은 배터리 팩(1000)의 측면을 이룰 수 있으며, 제3 프레임(1014) 및 제4 프레임(1015)은 내부공간(1017)에 배치되어 격벽의 역할을 할 수 있다. 한편, 제1 프레임(1012)은 배터리 팩(1000)의 측면을 이루면서 내부공간(1017)에도 추가로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)은 배터리 팩(1000)의 구조체이면서 선택적으로 다른 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 프레임(1012)은 냉각 유로를 포함하는 히트싱크이고, 제2 프레임(1013)은 벤팅 유로를 포함하는 덕트일 수 있다. 또한, 제3 프레임(1014)은 단열부재를 포함할 수 있다.

제1 프레임(1012)은 팩 하우징(1010)의 폭 방향 또는 복수의 배터리 셀(10)의 배열 방향(도면 기준 y 방향)으로 연장 형성되며, 팩 하우징(1010)의 길이 방향 양측에서 팩 하우징(1010)을 마감하도록 배치될 수 있다. 또한, 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)에는 하나 이상의 제1 프레임(1012)이 배치될 수 있다. 즉, 배터리 팩(1000)은 팩 하우징(1010)의 길이 방향을 따라 소정 간격으로 배치되는 복수의 제1 프레임(1012)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 프레임(1012)은 히트싱크일 수 있다. 자세하게, 히트싱크는 복수의 배터리 셀(10)에 대한 냉각이 이루어질 수 있도록 복수의 배터리 셀(10)과 접촉하도록 배터리 팩(1000)에 배치되어야 한다. 제1 프레임(1012)은 복수의 배터리 셀(10)의 배열 방향으로 연장된 형태이므로, 제1 프레임(1012)이 히트싱크로 구비되는 경우, 복수의 배터리 셀(10)에 대한 냉각이 이루어질 수 있게 된다. 제1 프레임(1012)은 내부에 냉각수가 흐르는 냉각 유로를 포함할 수 있으며, 냉각수는 제1 프레임(1012) 내에서 일 방향으로 유동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 하부에 냉각판을 포함하는 대신 측면을 이루는 제1 프레임(1012)이 냉각 유로를 포함함으로써 배터리 팩(1000)의 측면에서 복수의 배터리 모듈(100)에 대한 냉각이 이루어지는 구조를 가질 수 있다.

복수의 배터리 셀(10)은 전극 단자(15) 등이 구비되지 않은 복수의 배터리 셀(10)의 타측이 제1 프레임(1012)을 향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 프레임(1012) 사이에 배치되는 복수의 배터리 모듈(100)은 전극 단자(15) 등이 구비된 일측이 마주볼 수 있다.

제2 프레임(1013)은 팩 하우징(1010)의 길이 방향 또는 복수의 배터리 셀(10)의 높이 방향(도면 기준 x 방향)으로 연장 형성되며, 팩 하우징(1010)의 폭 방향 양측에서 팩 하우징(1010)을 마감하도록 배치될 수 있다.

제2 프레임(1013)은 팩 하우징(1010)의 길이 방향으로 연장되고 제1 프레임(1012)은 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 연장되므로 서로 교차할 수 있다. 예를 들어, 제2 프레임(1013)은 제1 프레임(1012)과 교차할 수 있으며, 제1 프레임(1012)과 교차하는 지점에 도피부(미도시)를 포함할 수 있다. 제1 프레임(1012)은 도피부에 배치된 상태에서 제2 프레임(1013)과 결합할 수 있다. 이 때, 도피부의 형성 위치는 한정되지 않으며, 제1 프레임(1012)의 냉각 유로가 유입구 또는 배출구와 연결 가능한 구조라면 제한없이 적용 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 프레임(1013)은 덕트일 수 있다. 자세하게, 복수의 배터리 셀(10)은 내부에 발생한 가스 등을 외부로 배출시키는 벤팅부를 포함할 수 있으며, 제2 프레임(1013)은 복수의 배터리 셀(10)에서 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)으로 배출된 가스 등을 배터리 팩(1000)의 외부로 배출시키는 역할을 할 수 있다. 제 2 프레임(1013)은 내부에 가스 등이 유동할 수 있는 벤팅 유로를 포함할 수 있으며, 복수의 배터리 셀(10)에서 배출된 가스등은 벤팅 홀(VH)을 통해 제2 프레임(1013)으로 유입되어 제2 프레임(1013)을 따라 유동한 뒤 팩 하우징(1010)의 길이 방향 일측 또는 양측에서 배터리 팩(1000) 외부로 배출될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 등의 배출 경로를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 복수의 배터리 셀(10)에서 배출된 가스는 팩 하우징(1010)의 하부를 통해 제2 프레임(1013) 내부에 마련된 벤팅 유로로 유입될 수 있다. 가스는 분진을 포함할 수 있으며, 분진 또한 제2 프레임(1013) 내부에 마련된 벤팅 유로로 유입될 수 있다.

하우징(1010)의 내부공간(1017)과 제2 프레임(1013)의 벤팅 유로는 복수의 벤팅 홀(VH)을 통해 연통될 수 있다. 하부 플레이트(1011)는 복수의 벤팅 홀(VH)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 벤팅 홀(VH)은 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)에 의해 구획되어 개별 배터리 모듈(100)이 배치되는 공간마다 구비되도록 하부 플레이트(1011)의 대응되는 영역에 형성될 수 있다. 각각의 공간에서 복수의 벤팅 홀(VH)은 복수의 배터리 셀(10)의 배열 방향(도면 기준 y 방향)으로 구비될 수 있다.

복수의 배터리 모듈(100)은 벤팅부가 구비된 복수의 배터리 셀(10)의 일측이 복수의 벤팅 홀(VH)을 향하도록 배치될 수 있으며, 이에 따라 벤팅부를 통해 배출된 가스 등은 곧바로 벤팅 홀(VH)을 통해 제2 프레임(1013)으로 유입될 수 있다.

제3 프레임(1014)은 팩 하우징(1010)의 폭 방향 또는 복수의 배터리 셀(10)의 배열 방향(도면 기준 y 방향)으로 연장 형성된 형태로, 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)에 배치될 수 있다. 제3 프레임(1014)은 제1 프레임(1011) 사이에 배치되어 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)을 팩 하우징(1010)의 길이 방향으로 구획할 수 있다. 또한, 제3 프레임(1014)은 제2 프레임(1013)과 후술할 제4 프레임(1015) 사이의 간격만큼 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 연장되어 복수의 제1 프레임(1012) 사이에 배치될 수 있다.

복수의 배터리 셀(10)은 전극 단자(15) 및 벤팅부가 구비되는 복수의 배터리 셀(10)의 일측이 제3 프레임(1014)을 향하도록 배치될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 모듈(100)은 제3 프레임(1014)을 사이에 두고 복수의 배터리 셀(10)의 일측이 마주볼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제3 프레임(1014)은 단열부재의 기능을 가질 수 있다. 제3 프레임(1014)은 단열부재를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 제3 프레임(1014)은 개별 배터리 모듈(100)이 배치되는 공간을 향하는 양면에 각각 단열부재를 포함할 수 있다. 단열부재는 운모(mica), 세라믹 울(ceramic wool) 등과 같은 재질로 구비될 수 있다. 제3 프레임(1014)이 단열부재의 기능을 함에 따라 인접 배치된 배터리 모듈(100) 사이의 열 전파가 지연될 수 있다.

또한, 제3 프레임(1014)은 복수의 배터리 셀(10)에서 배출된 가스 등의 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(10)에서 벤팅부를 통해 제3 프레임(1014) 측으로 배출된 가스 등은 제3 프레임(1014)에 부딪혀 더 이상 같은 방향으로 진행하지 못하고, 하부 플레이트(1011)의 벤팅 홀(VH)로 이동할 수 있다.

제4 프레임(1015)은 팩 하우징(1010)의 길이 방향 또는 복수의 배터리 셀(10)의 높이 방향(도면 기준 x 방향)으로 연장 형성된 형태로, 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)에 배치될 수 있다. 제4 프레임(1015)은 제2 프레임(1013)의 사이에 배치되어 은 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)을 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 구획할 수 있다. 또한, 제4 프레임(1015)은 제1 프레임(1012)의 간격만큼 팩 하우징(1010)의 길이 방향으로 연장되어 복수의 제1 프레임(1012) 사이에 배치될 수 있다.

제4 프레임(1015)은 제3 프레임(1014)과 마찬가지로 단열부재의 기능을 가질 수 있다. 이와 관련한 설명은 제3 프레임(1014)에 관한 설명으로 갈음한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 배터리 팩(1000)의 구조를 형성하면서 복수의 배터리 모듈(100)이 배치되는 공간을 구획하는 구조체와 히트싱크 또는 덕트가 통합된 형태를 가짐에 따라 배터리 팩(1000) 내 공간이 확보되는 바, 내부공간(1017)을 효율적으로 활용할 수 있으며, 에너지 밀도가 증대된 구조의 배터리 팩(1000)을 구현할 수 있다

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 개별 배터리 모듈(100)이 배치되는 공간의 격벽이 단열부재를 포함하도록 제작함으로써 인접 배치된 배터리 모듈(100) 간의 열 전파를 지연시킬 수 있다.

한편, 전술한 실시예와 달리, 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)의 배치 위치는 복수의 배터리 셀(10)의 배열 방향에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(100)에 포함되는 복수의 배터리 셀(10)이 도면을 기준으로 x 방향으로 배열되는 경우, 히트싱크의 기능을 갖는 제1 프레임(1012)과 덕트의 기능을 갖는 제2 프레임(1013)의 위치가 변경될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 모듈(100)의 배열 형태에 따라 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)의 연장 방향은 달라질 수 있다.

다만, 제1 프레임(1012)은 히트싱크이고, 제2 프레임(1013)은 덕트인 점을 고려할 때, 도면과 같이 구비되는 것이 바람직하다. 자세하게, 하나의 제1 프레임(1012)과 접촉하는 배터리 셀(10)의 개수가 적을수록 냉각 성능 측면에서 유리하고, 배터리 셀(10)에서 배출되는 가스는 고온이므로 가스의 유동 경로가 길수록 안전성 측면에서 유리하다. 따라서, 복수의 배터리 모듈(100)에 포함된 복수의 배터리 셀(10)은 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 배열되고, 제1 프레임(1012)은 팩 하우징(1010의 폭 방향으로 연장되며, 제2 프레임(1013)은 팩 하우징(1010)의 길이 방향으로 연장되는 것이 바람직할 수 있다.

다음으로는, 도 2 등을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 모듈(100)의 배치 형태에 대해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈(100)은 하부 플레이트(1011) 상에서 제1 내지 제4 프레임(1012, 1013, 1014, 1015)에 의해 구획되는 공간에 각각 배치될 수 있다.

복수의 배터리 모듈(100)은 냉각이 효율적으로 이루어질 수 있도록 히트싱크의 기능을 갖는 제1 프레임(1012)과 접촉하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(100)과 제1 프레임(1012) 사이에는 열전도부재(1100)가 배치될 수 있으며, 복수의 배터리 모듈(100)은 열전도부재(1100)에 의해 제1 프레임(1012)과 접촉할 수 있다.

열전도부재(1100)는 복수의 배터리 셀(10)에서 발생한 열이 신속하게 제1 프레임(1012)으로 전달될 수 있도록 하면서 복수의 배터리 모듈(100)을 제1 프레임(1012)에 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 모듈(100)은 실질적으로 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 제3 프레임(1014)보다는 제1 프레임(1012) 측에 치우치도록 배치될 수 있다.

열전도부재(1100)는 열전도 특성이 우수하면서 접착력을 갖는 열전도성 수지(thermal resin) 재질일 수 있으며, 보다 구체적으로는 실리콘, 아크릴 등이 열전도부재(1100)가 될 수 있다. 또한, 열전도부재(1100)는 페이스트 또는 패드 타입으로 구비될 수 있다.

한편, 복수의 배터리 모듈(100)은 팩 하우징(1010)의 길이 방향으로 제3 프레임(1014)보다 제1 프레임(1012) 측에 치우치도록 배치되므로, 복수의 배터리 모듈(100)과 제3 프레임(1014) 사이에는 간격이 형성될 수 있으며, 이 간격은 복수의 배터리 셀(10)에서 배출된 가스 등의 유동 경로가 될 수 있다. 하부 플레이트(1011)에 형성되는 복수의 벤팅 홀(VH)은 이 간격에 배치될 수 있다.

또한, 복수의 배터리 모듈(100)은 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 덕트의 기능을 갖는 제2 프레임(1013)및 제4 프레임(1015)과 이격되도록 배치될 수 있다. 복수의 배터리 모듈(100)과 제2 프레임(1013) 및 제4 프레임(1015) 사이의 이격 공간은 에어 갭(air gap)으로, 제2 프레임(1013) 및 제4 프레임(1015)을 통한 인접 배치된 배터리 모듈(100) 간의 열 전파를 방지 또는 지연시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 복수의 배터리 모듈(100)의 상측에 배치되어 복수의 배터리 모듈(100)을 배터리 팩(1000)에 결합 및 고정시키는 브라켓(1020)을 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 것과 같이, 복수의 배터리 모듈(100)은 브라켓(1020)을 통해 제3 프레임(1014) 측에서 팩 하우징(1010)과 결합될 수 있다.

도 6은 도 2의 I-I'의 단면도이다.

브라켓(1020)은 팩 하우징(1010)의 폭 방향으로 연장된 형태일 수 있으며, 제3 프레임(1014) 및 제3 프레임(1014)을 사이에 두고 서로 마주보는 복수의 배터리 모듈(100)의 일부와 동시에 겹쳐지도록 배치될 수 있다.

브라켓(1020)은 연장 방향을 따라 복수의 관통공을 포함할 수 있으며, 복수의 관통공에는 체결볼트(1030)가 삽입될 수 있다. 예를 들어, 체결볼트(1030)는 브라켓(1020)이 제3 프레임(1014) 및 복수의 배터리 모듈(100)과 겹쳐지도록 배치된 상태에서 브라켓(1020)의 관통공을 z 방향으로 관통하여 제3 프레임(1014)에 체결될 수 있다.

이에 따라, 복수의 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(10)의 타측에서는 열전도부재(1100)에 접착 및 고정되고, 복수의 배터리 셀(10)의 일측에서는 브라켓(1020)을 통해 팩 하우징(1010)과 결합될 수 있다.

다음으로는, 도 7 내지 도 9(9a 내지 9c)을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩의 형상 및 조립 방법에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 팩 하우징의 평면도이고, 도 8은 도 7의 II-II'의 단면도이다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은 제1 프레임(1012)에서 배터리 모듈(100)이 배치되는 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)으로 돌출된 리브면(1012a)을 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 프레임(1012)은 개별 배터리 모듈(100)이 배치되는 공간마다 배터리 모듈(100)의 길이 방향(도면 기준 y 방향)으로 이격된 한 쌍의 리브면(1012a)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 리브면(1012a)은 한 쌍의 리브면(1012a) 사이에 배터리 모듈(100)이 수용될 수 있도록 배터리 모듈(100)의 길이보다 더 넓은 간격으로 이격될 수 있다. 또한, 제1 프레임(1012)과 배터리 모듈(100) 사이에 배치되는 열전도부재(1100)는 한 쌍의 리브면(1012a) 사이에 도포 또는 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈(100) 및 브라켓(1020)은 전술한 실시예와 상이한 형상을 가질 수 있다.

도 8을 참조하면, 복수의 배터리 모듈(100) 및 브라켓(1020)은 서로 겹쳐지는 부분이 비스듬하게 잘린 단면(이하, 제1 경사면(130) 및 제2 경사면(1021))을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 모듈(100)은 제3 프레임(1014) 측으로 배치된 상측 단부에 제1 경사면(130)을 포함할 수 있으며, 브라켓(1020)은 제1 경사면(130)과 겹쳐지는 부분에 제1 경사면(130)에 대응되는 제2 경사면(1021)을 포함할 수 있다.

복수의 배터리 모듈(100)의 제1 경사면(130)과 브라켓(1020)의 제2 경사면(1021)이 맞닿도록 배치된 상태에서 체결볼트(1030)는 브라켓(1020)의 관통공을 z 방향으로 관통하여 제3 프레임(1014)에 체결될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈(100)과 브라켓(1020) 사이의 접촉 면적이 증가하므로, 복수의 배터리 모듈(100)의 고정력이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 조립 과정에서 복수의 배터리 모듈(100)이 제1 프레임(1012) 측으로 더욱 밀착되어 냉각 성능 및 효율이 개선될 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩에 배터리 모듈을 조립하는 순서를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 9a와 같이, 팩 하우징(1010)의 내부공간(1017)에 복수의 배터리 모듈(100)이 배치될 수 있다. 복수의 배터리 모듈(100)은 제1 프레임(1012)에서 돌출된 한 쌍의 리브면(1012a) 사이에 배치될 수 있다. 이 때, 전극 단자(15) 및 벤팅부를 포함하는 복수의 배터리 셀(10)의 일측은 제3 프레임(1014)을 향하고, 복수의 배터리 셀(10)의 타측이 제1 프레임(1012)을 향할 수 있으며, 복수의 배터리 셀(10)의 타측(또는 복수의 배터리 모듈(100))과 제1 프레임(1012) 사이에는 간격이 구비될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 모듈(100)과 제2 내지 제4 프레임(1013, 1014, 1015) 사이에도 간격이 형성되도록 제2 내지 제4 프레임(1013, 1014, 1015)과 이격되도록 배치될 수 있다.

다음으로, 도 9b와 같이, 복수의 배터리 모듈(100)이 배치된 상태에서, 복수의 배터리 모듈(100)과 제1 프레임(1012) 사이의 간격에 열전도부재(1100)가 도포될 수 있다. 자세하게, 한 쌍의 리브면(1012a) 사이에 복수의 배터리 모듈(100)이 배치됨에 따라 제1 프레임(1012)과 복수의 배터리 모듈(100) 사이에 갇힌 공간이 형성될 수 있으며, 해당 공간에 열전도부재(1100)가 도포될 수 있다. 예를 들어, 열전도부재(1100)는 페이스트(paste) 타입으로 팩 하우징(1010)의 상측에서 도포될 수 있으며, 이후의 과정에서 경화될 수 있다.

마지막으로, 도 9c와 같이, 복수의 배터리 모듈(100)의 상측에 배치되는 도 8에 도시된 형태의 브라켓(1020)과 팩 하우징(1010)이 상호 체결될 수 있다. 자세하게, 브라켓(1020)은 복수의 배터리 모듈(100)의 상측에서 제3 프레임(1014) 및 제3 프레임(1014) 측으로 배치되는 복수의 배터리 모듈(100)의 일부와 겹쳐지도록 배치될 수 있으며, 이와 같이 배치된 상태에서 체결볼트(1030)에 의해 제3 프레임(1014)(또는 팩 하우징(1010)과 결합될 수 있다.

브라켓(1020)은 제2 경사면(1021)이 제1 경사면(130)과 맞닿도록 배치될 수 있다. 이 과정에서, 복수의 배터리 모듈(100)은 브라켓(1020)에 의해 제1 프레임(1012) 측으로 밀리게 됨에 따라 복수의 배터리 모듈(100)은 열전도부재(1200)를 사이에 두고 제1 프레임(1012)에 밀착될 수 있다. 따라서, 복수의 배터리 모듈(100)과 제1 프레임(1012) 사이의 열교환이 보다 효율적으로 이루어질 수 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 하우징
1011: 하부 플레이트
1012: 제1 프레임
1013: 제2 프레임
1014: 제3 프레임
1015: 제4 프레임
1020: 브라켓
1030: 체결볼트
1100: 열전도부재

Claims

내부공간을 구획하는 복수의 프레임을 포함하는 팩 하우징; 및
상기 복수의 프레임에 의해 구획되는 공간에 각각 배치되며, 일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 모듈;을 포함하고,
상기 복수의 프레임은, 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 연장되며, 냉각 유로를 포함하는 제1 프레임; 및
상기 팩 하우징의 길이 방향으로 연장되며, 벤팅 유로를 포함하는 제2 프레임;을 포함하는, 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 복수의 프레임은, 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 연장되며, 단열부재를 포함하는 제3 프레임을 더 포함하고,
상기 제3 프레임은 상기 제1 프레임 사이에 배치되는, 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 복수의 배터리 셀은 전극 단자 및 벤팅부가 구비된 일측이 상기 제3 프레임을 향하도록 배치된 상태에서 상기 팩 하우징의 폭 방향을 따라 배열되는, 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 복수의 배터리 모듈은 상기 제2 프레임과 이격되도록 배치되고, 상기 제3 프레임보다 상기 제1 프레임 측으로 치우치도록 배치되는, 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 복수의 배터리 모듈과 상기 제1 프레임 사이에 배치되는 열전도부재를 더 포함하는, 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 팩 하우징은 하부 플레이트를 더 포함하고,
상기 하부 플레이트는 상기 내부공간과 상기 벤팅 유로를 연통하는 복수의 벤팅 홀을 포함하는, 배터리 팩.
제6항에 있어서,
상기 하부 플레이트는 상기 복수의 프레임에 의해 구획되어 상기 복수의 배터리 모듈이 배치되는 공간마다 상기 복수의 벤팅 홀을 포함하며,
상기 복수의 벤팅 홀은 상기 공간에서 상기 팩 하우징의 폭 방향을 따라 구비되는, 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 복수의 프레임은, 상기 팩 하우징의 길이 방향으로 연장되며, 상기 제2 프레임 사이에 배치되어 상기 내부공간을 폭 방향으로 구획하는 제4 프레임을 더 포함하는, 배터리 팩.
제5항에 있어서,
상기 제1 프레임은, 상기 복수의 배터리 모듈 측으로 돌출되며 상기 복수의 배터리 모듈의 길이 방향으로 이격 구비되는 한 쌍의 리브면을 더 포함하며,
상기 복수의 배터리 모듈은 상기 한 쌍의 리브면 사이에 배치되는, 배터리 팩.
제9항에 있어서,
상기 열전도부재는 상기 한 쌍의 리브면 사이에 배치되는, 배터리 팩.
제2항에 있어서,
상기 복수의 배터리 모듈의 상측에서 상기 제3 프레임 및 상기 복수의 배터리 모듈과 겹쳐지도록 배치되는 브라켓을 더 포함하며,
상기 브라켓은 상기 제3 프레임과 체결되는, 배터리 팩.
제11항에 있어서,
상기 복수의 배터리 모듈은 상기 브라켓과 겹쳐지는 부분에 제1 경사면을 포함하고,
상기 브라켓은 상기 복수의 배터리 모듈과 겹쳐지는 부분에 상기 제1 경사면과 대응하는 형상의 제2 경사면을 포함하는, 배터리 팩.
내부공간을 구획하는 복수의 프레임을 포함하는 팩 하우징; 및
일 방향으로 배열된 복수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 모듈;을 포함하고,
상기 복수의 프레임은, 냉각 유로를 포함하며, 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키도록 구성되는 제1 프레임; 및
상기 복수의 배터리 모듈에서 배출된 가스를 외부로 배출시키도록 상기 가스가 유동하는 벤팅 유로를 포함하는 제2 프레임;을 포함하며,
상기 복수의 배터리 모듈은 적어도 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임에 의해 구획되는 공간에 배치되는, 배터리 팩.
제13항에 있어서,
상기 복수의 배터리 모듈은, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 제1 프레임 사이에는 에어 갭을 포함하지 않고, 상기 복수의 배터리 모듈과 상기 제2 프레임 사이에는 에어 갭을 포함하도록 배치되는, 배터리 팩.
제13항에 있어서,
상기 복수의 배터리 셀은 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 배열되고,
상기 제1 프레임은 상기 팩 하우징의 폭 방향으로 연장되며, 상기 제2 프레임은 상기 팩 하우징의 길이 방향으로 연장되는, 배터리 팩.
제13항에 있어서,
상기 팩 하우징은 상기 내부공간과 상기 벤팅 유로가 연통되도록 복수의 벤팅 홀을 포함하는, 배터리 팩.
제13항에 있어서,
상기 복수의 프레임은, 단열부재를 포함하며, 상기 제1 프레임 사이에 배치되는 제3 프레임을 더 포함하는, 배터리 팩.
제17항에 있어서,
상기 복수의 배터리 셀의 일측에는 전극 단자 및 벤팅부가 구비되고,
상기 복수의 배터리 모듈은 상기 복수의 배터리 셀의 일측이 상기 제3 프레임을 향하도록 배치되는, 배터리 팩.