KR20240079910A - 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되고 상단과 하단에 각각 절곡된 상부 플랜지와 하부 플랜지를 구비하는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록, 및 복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 팩 케이스에 구비된 장착부에 대해 고정되는 엔드 브래킷을 포함한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}

본 발명은 배터리 팩에 대한 배터리 블록의 장착구조를 개선함으로써 배터리 블록의 탈장착이 용이하고, 접착제를 사용하지 않게 되어 배터리 블록 탈거시의 손상이 방지되며, 팩 케이스에 대한 배터리 블록의 장착시 용이한 정렬이 가능하고 장착 후의 유동을 억제할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.

이차전지는 일차전지와는 달리 재충전이 가능하고, 또 소형 및 대용량화 가능성으로 인해 근래에 많이 연구 개발되고 있다. 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가하고, 또한 환경보호의 시대적 요구에 맞춰 부각되는 전기 차량과 에너지 저장 시스템 등으로 인해 에너지원으로서의 이차전지의 수요는 더욱 급격하게 증가하고 있다.

이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라, 코인형 전지, 원통형 전지, 각형 전지, 및 파우치형 전지로 분류된다. 이차전지에서 전지 케이스 내부에 장착되는 전극 조립체는 전극 및 분리막의 적층 구조로 이루어진 충방전이 가능한 발전소자이다.

이차전지는 배터리 팩의 형태로서 복수의 배터리 셀이 하나의 집단을 이룰 수 있다. 배터리 팩은 에너지 밀도를 높여 고에너지를 요구하는 장치, 예를 들어 전기 자동차 등에 탑재될 수 있다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하여 규정된 전력을 출력하고, 작동 중 온도가 상승하는 배터리 셀을 냉각하며, 발화 등의 비상상황에 대응하는 각종 안전장치를 구비한다.

배터리 팩은 단위 체적당 에너지 밀도를 높이는 것이 하나의 중요한 과제인데, 이는 결국 배터리 팩 내부의 공간을 얼마나 효율적으로 활용할 수 있는지가 관건이라 할 수 있다. 즉, 동일한 팩 공간에 더 많은 배터리 셀을 탑재할 수 있도록 하는 것이 필요하며, 배터리 팩의 구조를 가능한 단순하게 만드는 것이 유효한 하나의 방안이 된다.

또한, 동일한 팩 공간에 더 많은 배터리 셀을 탑재함에 따라 충방전 과정에서 배터리 셀에서 발생하는 열이 효율적으로 팩 케이스로 전달될 수 있는 구조가 요구되며, 배터리 블록이 장착이 정확히 이루어지고, 장착 후의 요동이 효과적으로 억제되며, 용이한 배터리 팩의 유지·보수까지 다각적으로 고려한 설계방안도 필요하다.

한국공개특허 제2021-0036132호(2021.04.02 공개)

본 발명은 배터리 팩의 구조를 단순화하여 공간 활용률을 향상하고 원가를 절감할 수 있으며, 배터리 팩에 탑재되는 배터리 셀을 견고하게 장착하는 동시에 유지·보수시 필요한 배터리 셀의 용이한 탈거까지 고려한 배터리 팩을 제공하는 것에 그 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 배터리 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되고 상단과 하단에 각각 절곡된 상부 플랜지와 하부 플랜지를 구비하는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록, 및 복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 팩 케이스에 구비된 장착부에 대해 고정되는 엔드 브래킷을 포함한다.

여기서, 상기 사이드 플레이트에 구비된 상기 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 의해 상기 셀 어레이의 상방과 하방이 동시에 압박되어 상기 복수의 각형 셀이 하나의 블록으로 구속된다.

그리고, 상기 사이드 브래킷은, 상기 팩 케이스에 구비된 장착부에 대해 고정되는 엔드 브래킷을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 엔드 브래킷은, 폭 방향과 나란한 체결면을 구비하고, 상기 체결면에는 하나 이상의 체결 홀이 형성되며, 상기 체결 홀을 통해 상기 장착부에 고정된다.

그리고, 상기 엔드 브래킷은, 상기 체결면에 수직한 보강리브를 구비할 수 있다.

한편, 상기 사이드 플레이트는, 상단과 하단에 각각 절곡 형성된 상기 상부 플랜지 및 하부 플랜지를 구비하는 제1 플레이트와 제2 플레이트가 상호 접합되어 일체를 이룰 수 있다.

그리고, 상기 사이드 플레이트는, 상기 제1 및 제2 플레이트에 각각 대면 형성된 오목면이 상호 접합된 접합 리브가 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.

본 발명의 배터리 팩은, 상기 엔드 브래킷이 상기 장착부에 대해 고정됨에 따라, 상기 셀 어레이에는 상기 팩 케이스의 베이스 플레이트에 대해 가압된 하방 고정력이 작용한다.

그리고, 상기 셀 어레이의 상면에 접촉하는 상부 플랜지의 가장자리는 상기 각형 셀의 전극단자에 대해 5∼10㎜ 범위의 거리로 이격되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 상기 팩 케이스는, 바닥면을 이루는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 사방을 따라 벽을 형성하는 사이드 프레임과, 상기 팩 케이스의 상면을 밀폐하는 상부 커버를 포함하고, 상기 베이스 플레이트 내부에는 냉각매체가 흐르는 냉각유로가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 베이스 플레이트에는, 상기 하부 플랜지의 두께에 대응하는 깊이를 가진 단차 홈이 구비되고, 상기 단차 홈에 상기 하부 플랜지가 삽입되어 상기 배터리 블록이 상기 베이스 플레이트에 대해 정렬될 수 있다.

그리고, 상기 베이스 플레이트와 상기 배터리 블록의 접촉면 사이에는, 열전도성 열계면재(TIM, Thermal Interface Material)가 개재될 수 있다.

한편, 상기 사이드 브래킷은, 상기 엔드 플레이트에 돌출 구비된 용접볼트에 삽입되는 체결 홈을 구비하고, 상기 용접볼트와 체결 홈은 용접에 의해 상호 접합될 수 있다.

실시형태에 따라, 상기 사이드 브래킷은, 상기 사이드 플레이트의 폭 방향 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 상기 체결 홈을 각각 구비할 수 있다.

이에 따라, 폭 방향을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이는 상기 사이드 플레이트를 공유하고, 상기 또 하나의 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트에 구비된 용접볼트가 상기 사이드 브래킷의 체결 홈에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이가 폭 방향을 따라 확장될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 배터리 팩은, 사이드 플레이트에 구비된 사이드 브래킷을 통해 결속되는 엔드 플레이트가 복수의 각형 셀로 이루어진 셀 어레이의 전후면과 측면을 하나의 블록으로 구속하는 단순한 구조를 이루고 있다. 따라서, 배터리 블록의 구조 단순화를 통해 배터리 팩의 공간 활용률을 향상하고 원가를 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명의 배터리 팩은 사이드 플레이트의 상하단에 각각 구비된 상부 플랜지와 하부 플랜지에 의해 셀 어레이 전체가 상하 양쪽으로 구속됨으로써 복수의 각형 셀이 단단한 하나의 블록을 형성하는 안정적인 구조를 이루게 되며, 또한 이를 통해 배터리 블록의 취급과 팩 케이스 장착의 용이성, 그리고 장착 후 고정상태의 안정성 등 여러 측면에서 유리한 효과를 얻을 수 있다.

나아가 본 발명의 배터리 팩은 셀 어레이를 하나의 블록으로 구속하는 엔드 플레이트에 구비된 엔드 브래킷을 이용해 팩 케이스에 직접 고정함으로써, 접착제를 사용하지 않고도 배터리 블록을 견고하게 장착하는 것은 물론 유지·보수를 위한 탈거도 손상 없이 쉽게 이루어진다.

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 배터리 블록을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 배터리 블록에 대한 분해 사시도.
도 3은 사이드 플레이트를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 "A-A"선을 따라 절개한 단면도.
도 5는 사이드 플레이트와 엔드 플레이트 사이의 결합구조를 확대 도시한 도면.
도 6 및 도 7은 배터리 블록이 폭 방향으로 확장되는 구조를 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 본 발명의 배터리 블록에 팩 케이스에 고정되는 구조를 예시적으로 도시한 도면.
도 10은 사이드 플레이트의 상부 플랜지가 셀 어레이를 고정하는 구조를 도시한 도면.
도 11은 배터리 블록과 베이스 플레이트 사이의 열전달 구조를 도시한 도면.

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 배터리 팩에 관한 것으로서, 하나의 예에서, 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되고 상단과 하단에 각각 절곡된 상부 플랜지와 하부 플랜지를 구비하는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록, 및 복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 팩 케이스에 구비된 장착부에 대해 고정되는 엔드 브래킷을 포함한다.

여기서, 상기 사이드 플레이트에 구비된 상기 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 의해 상기 셀 어레이의 상방과 하방이 동시에 압박되어 상기 복수의 각형 셀이 하나의 블록으로 구속된다.

이와 같은 구성을 가진 본 발명의 배터리 팩은, 사이드 플레이트에 구비된 사이드 브래킷을 통해 결속되는 엔드 플레이트가 복수의 각형 셀로 이루어진 셀 어레이의 전후면과 측면을 하나의 블록으로 구속하는 단순한 구조를 이루고 있다. 따라서, 배터리 블록의 구조 단순화를 통해 배터리 팩의 공간 활용률을 향상하고 원가를 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명의 배터리 팩은 사이드 플레이트의 상하단에 각각 구비된 상부 및 하부 플랜지에 의해 셀 어레이 전체가 상하 양쪽으로 구속됨으로써 복수의 각형 셀이 단단한 하나의 블록을 형성하는 안정적인 구조를 이루게 되며, 또한 이를 통해 배터리 블록의 취급과 팩 케이스 장착이 용이해진다.

나아가 본 발명의 배터리 팩은 셀 어레이를 하나의 블록으로 구속하는 엔드 플레이트에 구비된 엔드 브래킷을 이용해 팩 케이스에 직접 고정함으로써, 접착제를 사용하지 않고도 배터리 블록을 견고하게 장착하는 것은 물론 유지·보수를 위한 탈거도 손상 없이 쉽게 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 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 배터리 블록(10)을 도시한 도면, 그리고 도 2는 도 1의 배터리 블록(10)에 대한 분해 사시도로서, 이하에서는 본 발명의 배터리 팩(600)에 탑재되는 배터리 블록(10)의 구성을 먼저 설명한다. 배터리 블록(10)의 구성에 대한 설명은 팩 케이스(602)에 대한 장착 구조를 이해하는데 유용하다.

첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 블록(10)은 한 쌍의 사이드 플레이트(200) 및 이에 결속하여 평행 육면체 형태의 공간을 형성하는 한 쌍의 엔드 플레이트(300), 그리고 평행 육면체 공간에 수용되는 셀 어레이(100)를 포함한다.

셀 어레이(100)는 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀(110)이 이루는 하나의 셀 집단을 의미한다. 개개의 각형 셀(110)은 독립적으로 충방전이 가능한 완성된 각형 이차전지이며, 도시된 실시형태에서는 12개의 각형 셀(110)이 모여 하나의 셀 어레이(100)를 구성하는 것이 하나의 예로서 도시되어 있다. 모든 각형 셀(110)은 동일 사양으로 구성되는 것이 일반적이며, 일렬로 정렬된 각형 셀(110)은 전체적으로 평행 육면체의 형태를 이루고 있다.

참고로, 도시된 각형 셀(110)은 상면에 양극과 음극의 전극단자(112)가 모두 배치된 일방향 각형 셀(110)에 해당하며, 또한 한 쌍의 전극단자(112) 사이에 벤팅장치(114)가 구비되어 있다. 벤팅장치(114)는 각형 셀(110) 내부에 안전수준을 압력이 작용하면 파열되어 내압을 해소하는 안전밸브에 해당하는 장치로서, 예를 들어 금속재질의 얇은 판형 부재의 노치(Notch) 가공을 한 럽쳐 디스크를 포함할 수 있다. 럽쳐 디스크는 밀폐된 각형 셀(110)의 내압이 상승하면 그 압력에 의해 박판 전반에 걸쳐 인장변형이 발생하다가 강도가 약한 노치부가 찢어지면서 각형 셀(110)의 내압을 해소하게 된다.

그리고, 셀 어레이(100) 상의 각형 셀(110)의 전극단자(112)는 병렬이나 직렬의 전기연결의 편의성을 위해 동일 극성이 일렬로 연이어 배치되거나 또는 반대 극성이 교번으로로 나타나도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 복수의 각형 셀(110)이 일렬로 정렬된다는 것이 반드시 전극단자(112) 극성의 일렬 정렬을 의미하는 것은 아니다.

한 쌍의 사이드 플레이트(200)는 셀 어레이(100)의 양 측면에 각각 배치되고, 한 쌍의 엔드 플레이트(300)는 셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치된다. 엔드 플레이트(300)의 폭 방향(W) 양단은 사이드 플레이트(200)의 길이방향(L) 양단에 구비된 사이드 브래킷(210)에 대해 고정되며, 엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)의 상호 연결에 의해 셀 어레이(100)는 하나의 블록으로 구속된다.

도 3은 사이드 플레이트(200)를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 "A-A"선을 따라 절개한 단면도이다. 도면에 도시된 사이드 플레이트(200)는, 상부 및 하부 플랜지(230, 240)가 각각 상하단에 절곡 형성된 제1 및 제2 플레이트(201, 202)가 접합면을 기준으로 대칭형태를 이루고 있다. 도면에서와 같이, 상부 및 하부 플랜지(230, 240)는 중앙의 접합면에 대해 외측으로 연장되어 있다.

그리고, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 플레이트(201, 202)는 각각 오목면(222)을 구비하고 있으며, 대면하는 오목면(222)은 상호 접합되어 접합리브(220)를 형성하고 있다. 이러한 접합리브(220)는 사이드 플레이트(200)의 길이방향(L)을 따라 적어도 하나 이상 구비되며, 도시된 실시형태에서는 사이드 플레이트(200)의 양단과 중앙으로 총 세 개의 접합리브(220)가 형성되어 있다.

일정 간격을 가지도록 나란히 대면하는 제1 및 제2 플레이트(201, 202)는 단면상 굴곡을 이루는 오목면(222)과, 이들이 용접에 의한 접합, 또는 리벳 등에 의한 결속으로 하나로 묶인 접합리브(220)의 구성에 의해, 길이방향(L)과 높이방향(H)으로 작용하는 외력에 대해 강한 구조적 강성을 가지게 된다.

이에 따라, 본 발명의 배터리 블록(10)은 종래 배터리 팩에 구비었던 크로스 빔의 구성을 사이드 플레이트(200)가 대체하게 되고, 그만큼 배터리 팩(600)의 구조가 단순화됨으로써 배터리 팩(600)의 공간 활용률이 향상되어 동일 체적에서의 에너지 밀도는 더욱 증가하며, 원가를 절감할 수 있게 된다.

그리고, 사이드 플레이트(200)의 상단 및 하단에는, 셀 어레이(100)의 상하면에 각각 접촉하는 상부 플랜지(230)와 하부 플랜지(240)가 절곡 형성되어 있다. 상부 플랜지(230)와 하부 플랜지(240)는 셀 어레이(100)의 전체 상하면을 요동 없이 견고하게 구속하는 힘을 작용하게 되고, 이에 따라 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)로 둘러싸인 셀 어레이(100)는 하나의 블록을 이루게 된다. 하나의 견고한 블록을 이루는 배터리 블록(10)은 팩 케이스(602)에 대한 장착과 각종 취급에 있어서 매우 유리하다. 본 발명의 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 장착되는 구조는 뒤에서 도 8 및 도 9를 통해 좀더 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300) 사이의 결합구조를 확대 도시한 도면이다. 사이드 플레이트(200)에 구비된 사이드 브래킷(210)은, 엔드 플레이트(300)에 돌출 구비된 용접볼트(310)에 삽입되는 체결 홈(212)을 구비하며, 용접볼트(310)와 체결 홈(212)은 용접에 의해 상호 접합된다.

셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(300)에 구비된 용접볼트(310)는 사이드 브래킷(210)에 대한 체결점을 제공하며, 용접볼트(310)에 체결 홈(212)이 끼워짐으로써 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 조립위치는 가정렬된다. 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)의 안정적이고 견고한 결합을 위해, 그리고 셀 어레이(100)에 대한 강한 구속을 위해, 용접볼트(310)와 체결 홈(212)은 셀 어레이(100)의 높이방향(H) 중앙을 기준으로 하여 상하 한 쌍으로 구비될 수 있다.

그리고, 도 1 내지 도 3, 도 5를 참조하면, 엔드 플레이트(300)는 팩 케이스(602)에 대해 고정되는 엔드 브래킷(400)을 포함한다. 또한, 사이드 브래킷(210) 역시 팩 케이스(602)에 대해 고정되는 엔드 브래킷(400)을 포함한다.

엔드 플레이트(300)와 사이드 플레이트(200)에 구비되는 엔드 브래킷(400)은 폭 방향(W)과 나란한 체결면(410)을 구비하고 있으며, 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)에는 하나 이상의 체결 홀(412)이 형성되어 있다. 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)은 팩 케이스(602)에 마련된 장착부(640)에 안착되며(도 9 참조), 체결 홀(412)을 통해 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 엔드 브래킷(400)을 접합 또는 결속함으로써 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 고정된다.

그리고, 엔드 브래킷(400)은 체결면(410)에 수직한 직각삼각형 형태와 같은 보강리브(420)를 구비함으로써 높이방향(H) 하중에 대한 강성을 보강할 수 있다. 참고로 엔드 플레이트(300) 자체의 강성을 보강하기 위해, 사이드 플레이트(200)의 오목면(222)에 유사한, 하나의 이상의 오목면(320)이 절곡 형성될 수 있으며, 셀 어레이(100)의 안정적인 고정을 위해 엔드 플레이트(300)의 상단에도 상부 플랜지(330)가 구비될 수 있다.

[제2 실시형태]

도 6 및 도 7은 도 1의 배터리 블록(10)이 폭 방향(W)으로 확장되는 구조를 도시한 도면이다.

본 발명의 배터리 블록(10)은 사이드 플레이트(200) 및 사이드 브래킷(210)을 통해 폭 방향(W)을 따라 셀 어레이(100)의 개수를 원하는 만큼 확장하는 것이 가능하다. 본 발명의 제2 실시형태에서는 이러한 배터리 블록(10)의 확장에 대한 일 실시예에 대해 설명한다.

도 6을 보면, 사이드 브래킷(210)은, 사이드 플레이트(200)의 폭 방향(W) 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 각각 체결 홈(212)을 구비하고 있다. 이에 따라, 하나의 사이드 플레이트(200)에 대해, 그 폭 방향(W) 양측으로 하나씩의 엔드 플레이트(300)를 연결하는 것이 가능하다.

도 7에 나타난 바와 같이, 폭 방향(W)을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이(100)는 가운데에 있는 하나의 사이드 플레이트(200)를 공유하게 되고, 또 하나의 셀 어레이(100)의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(300)에 구비된 용접볼트(310)가 대응하는 사이드 브래킷(210)의 체결 홈(212)에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이(100)가 폭 방향(W)을 따라 확장된다.

이와 같이, 사이드 브래킷(210)이 좌우 양측으로 각각 체결 홈(212)을 구비함에 따라 하나의 사이드 플레이트(200) 양편으로 각각 엔드 플레이트(300)를 하나씩 결합할 수 있게 되고, 인접한 셀 어레이(100)가 하나의 사이드 플레이트(200)를 공유함에 따라 복수의 배터리 블록(10)이 연결되는 구조에 있어서 전체 사이드 플레이트(200)의 개수는 셀 어레이(100)의 개수보다 하나만 더 필요해진다. 따라서, 본 발명의 배터리 블록(10)을 탑재하는 배터리 팩(600)의 공간 효율성은 더욱 향상된다.

[제3 실시형태]

본 발명의 제3 실시형태에서는, 위에서 설명한 폭 방향(W)으로 확장된 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 탑재되는 구조에 대해 설명한다. 도 8 및 도 9는 터리 블록(10)에 팩 케이스(602)에 고정되는 구조를 도시한 도면이다.

복수의 배터리 블록(10)이 장착되는 팩 케이스(602)는 바닥면을 이루는 베이스 플레이트(610)와, 베이스 플레이트(610)의 사방을 따라 벽을 형성하는 사이드 프레임(620), 그리고 팩 케이스(602)의 상면을 밀폐하는 상부 커버(630)를 포함한다. 도시된 팩 케이스(602)는 세 개의 셀 어레이(100)가 일렬을 이루도록 사이드 플레이트(200)와 엔드 플레이트(300)가 격자형태로 결합한 배터리 모듈(500) 두 개가 이열로 배치되는 일례를 보여준다(본 명세서에서는 제2 실시형태에 따라 복수의 배터리 블록이 사이드 플레이트를 매개로 하여 일체로 연결된 어셈블리를 배터리 모듈이라 칭하기로 함). 참고로, 도 8은 팩 케이스(602)의 구조를 명확히 보여줄 수 있도록, 하나의 배터리 모듈(500)은 생략되어 있다.

세 개의 셀 어레이(100)가 일렬을 이루는 하나의 배터리 모듈(500)은, 전면과 후면의 엔드 플레이트(300)를 따라 엔드 브래킷(400)이 노출되어 있으며, 엔드 플레이트(300)들 사이의 사이드 브래킷(210)에도 하나의 엔드 브래킷(400)이 돌출되어 있다.

도 9의 단면도를 참조하면, 팩 케이스(602)에는 배터리 모듈(500)의 전면과 후면으로 돌출된 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)에 대응하여, 레일 형태의 장착부(640)가 마련되어 있다. 장착부(640)는 사이드 프레임(620)에 결합 또는 일체로 형성된 한 쌍의 사이드 장착부(642)와, 베이스 플레이트(610)의 중앙을 가로질러 마련된 센터 장착부(644)가 나란히 배열되어 있다.

사이드 장착부(642)와 센터 장착부(644) 사이의 공간에 배터리 모듈(500)이 삽입되면, 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)이 팩 케이스(602)의 장착부(640)를 마주보게 되고, 체결 홀(412)을 통해 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 엔드 브래킷(400)을 접합 또는 결속함으로써 모든 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 일괄 고정된다.

여기서, 각 배터리 블록(10)의 엔드 브래킷(400)이 팩 케이스(602)의 장착부(640)에 결합 고정되면, 사이드 플레이트(200)의 상부 및 하부 플랜지(230, 240)에 구속되어 있는 전체 셀 어레이(100)에는 베이스 플레이트(610)로 누르는 하방 고정력이 자연적으로 작용하며, 이에 따라 셀 어레이(100)는 베이스 플레이트(610)에 견고하게 밀착된다.

셀 어레이(100)와 베이스 플레이트(610) 사이의 밀착은, 셀 어레이(100)에서 발생한 열을 베이스 플레이트(610)로 원활히 전달하는데 중요한 역할을 한다. 따라서, 배터리 블록(10) 내지 배터리 모듈(500)을 팩 케이스(602) 안에 넣었을 때 엔드 브래킷(400)의 체결면(410)과 장착부(640) 사이에 미소한 간극이 발생하는 방향으로 공차를 관리하는 것이 상부 플랜지(230, 320)가 충분한 하방 고정력을 발생하는데 유리할 것이다.

도 10은 사이드 플레이트(200)의 상부 플랜지(230)가 셀 어레이(100)를 고정하는 구조를 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 사이드 플레이트(200)의 상부 플랜지(230)는, 사이드 플레이트(200)를 공유하는 인접한 셀 어레이(100)의 상면에 접촉하여, 엔드 브래킷(400)을 통해 배터리 블록(10)이 팩 케이스(602)에 장착되었을 때 셀 어레이(100)를 베이스 플레이트(610)에 밀착시키는 하방 고정력을 생성한다. 다만, 팩 케이스(602)의 폭 방향 양끝의 상부 플랜지(230)는 대응하는 셀 어레이(100)가 없으므로, 사이드 프레임(620)에 플랜지 장착부(650)를 형성하고, 비어있는 상부 플랜지(230)가 플랜지 장착부(650)에 지지되도록 함으로써 안정적인 장착을 도모하는 한편 셀 어레이(100)의 모서리에도 균일한 가압력이 작용하도록 하는 것이 바람직할 수 있다.

그리고, 도 10을 보면, 셀 어레이(100)의 상면에 접촉하는 상부 플랜지(230)의 가장자리는 각형 셀(110)의 전극단자(112)에 대해 일정 거리, 예를 들어 5∼10㎜ 범위의 거리(d)로 이격되어 있다. 상부 플랜지(230)의 하방 고정력이 최대한 균일하게 셀 어레이(100)에 작용하도록 하기 위해서는 상부 플랜지(230)의 폭은 클수록 좋겠지만, 각형 셀(110)에 대한 전기연결의 편의성과 쇼트 발생의 위험을 고려하여 상부 플랜지(230)의 가장자리를 전극단자(112)에 대해 일정 간격 이격시켜 놓은 것이다.

도 11은 배터리 블록(10)과 베이스 플레이트(610) 사이의 열전달 구조를 도시한 도면이다. 본 발명의 배터리 팩(600)은 엔드 브래킷(400)과 상부 플랜지(230)의 구성에 의해 베이스 플레이트(610)에 대한 배터리 블록(10)의 밀착성이 매우 우수하다. 따라서, 본 발명의 배터리 팩(600)은 배터리 블록(10)의 하부 고정을 위해 접착제를 사용할 필요가 없으며, 접착제를 사용하지 않는만큼 배터리 블록(10)의 하부냉각, 즉 열전달이 원활해진다. 또한, 접착제를 사용하지 않으므로, 배터리 블록(10)의 장착 과정이 간단해지는 것은 물론 배터리 블록(10) 탈거시의 손상이 방지된다.

도시된 실시형태에서, 베이스 플레이트(610)는 내부로 냉각매체가 흐르는 냉각유로(614)가 구비된 히트싱크(612)를 포함한다. 히트싱크(612)는 냉각유로(614)가 형성된 하판과, 하판에 접합하여 유체밀봉하는 상판을 구비하며, 상판에는 냉각유로(614)에 유통하는 냉각매체의 입출구를 형성하는 한 쌍의 유출입 어댑터(616)가 구비되어 있다(도 11에는 도시방향에 의해 하나의 유출입 어댑터만 나타나 있음).

그리고, 베이스 플레이트(610)의 히트싱크(612)와 배터리 블록(10)의 접촉면 사이에는, 열전도성 열계면재(618)(TIM, Thermal Interface Material)가 개재될 수 있다. 열전도성 열계면재(618)는 알루미늄과 같은 금속소재에 비해 열전도율이 월등히 높은 공지의 소재를 지칭하는 것으로서, 열전도성 열계면재(618)는 높은 열전도율과 접촉면의 미세한 요철을 매우는 필러의 역할을 함으로써 배터리 블록(10)에서 발생한 열을 신속하게 히크싱크(612)로 전달하는데 기여한다. 이러한 열전도성 열계면재(618)의 기능은 엔드 브래킷(400)과 상부 플랜지(230)에 의한 베이스 플레이트(610)와 배터리 블록(10) 사이의 밀착에 의해 확실히 보장된다.

아울러 도 8 및 도 11을 보면, 본 발명의 베이스 플레이트(610), 좀더 구체적으로는 배터리 모듈(500)에 직접 접촉하는 히트싱크(612)의 상판에는 복수의 단차 홈(611)이 형성되어 있다. 단차 홈(611)은 각 배터리 블록(10)의 하부 플랜지(240)에 대응하는 위치와 크기, 깊이로 형성되어 있다. 따라서, 배터리 모듈(500)이 사이드 장착부(642)와 센터 장착부(644) 사이의 공간 안으로 장착되면, 배터리 블록(10)의 하면에 돌출되어 있는 하부 플랜지(240)는 단차 홈(611) 안에 끼워진다.

이와 같이, 본 발명의 배터리 블록(10)은 상부 플랜지(230)와 하부 플랜지(240)에 의해 셀 어레이(100) 전체를 하나의 블록으로 구속하는 한편, 팩 케이스(602)의 장착시에는 하부 플랜지(240)가 단차 홈(611)에 끼워짐으로써 엔드 브래킷(400)을 장착부(640)에 결합하기 이전에 이미 정확한 위치로 정렬하게 된다. 이로써, 폭 방향(W)으로 복수의 배터리 블록(10)이 확장된 대형 사이즈의 배터리 모듈(500)을 팩 케이스(602)에 장착하는 과정이 정확하고 쉽게 이루어진다.

또한, 배터리 모듈(500)의 장착(고정)이 완료된 이후에는, 단차 홈(611) 안에 끼워진 하부 플랜지(240)는 단차 구조에 의한 추가적인 고정력을 발휘하게 되므로, 팩 케이스(602)에 대한 배터리 모듈(500)의 요동이 방지되는 안정적인 고정상태를 유지하는데 도움을 준다.

여기서, 실시형태에 따라, 하부 플랜지(240)를 고려한 몇 가지 설계가 필요할 수 있다. 하나는 플랜지 장착부(650)에 관한 것인데, 플랜지 장착부(650)는 대응하는 셀 어레이(100)가 없는 폭 방향(W) 양끝의 상부 플랜지(230)를 지지하기 위해 마련되는 것으로서, 플랜지 장착부(650)는 폭 방향(W) 양끝의 하부 플랜지(240)에 대해 간섭을 일으킬 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 배터리 모듈(500)의 폭 방향(W) 양끝의 하부 플랜지(240)는 삭제하는 것이 바람직할 수 있다.

또 하나는 열전도성 열계면재(618)의 구성으로서, 베이스 플레이트(610)의 히트싱크(612)와 배터리 블록(10)의 접촉면 사이에 열전도성 열계면재(618)가 개재됨으로써 단차 홈(611) 안으로 하부 플랜지(240)가 충분히 삽입되지 못할 수도 있다. 따라서, 열전도성 열계면재(618)의 사이즈는 단차 홈(611)과 하부 플랜지(240) 사이의 단차 구조에 방해가 되지 않도록 적절히 설계되는 것이 바람직할 수 있다.

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.

10: 배터리 블록 100: 셀 어레이
110: 각형 셀 112: 전극단자
114: 벤팅장치 200: 사이드 플레이트
201: 제1 플레이트 202: 제2 플레이트
210: 사이드 브래킷 212: 체결 홈
220: 접합리브 222: 오목면
230: 상부 플랜지 240: 하부 플랜지
300: 엔드 플레이트 310: 용접볼트
320: 오목면 330: 상부 플랜지
400: 엔드 브래킷 410: 체결면
412: 체결 홀 420: 보강리브
500: 배터리 모듈 600: 배터리 팩
602: 팩 케이스 610: 베이스 플레이트
611: 단차 홈 612: 히트싱크
614: 냉각유로 616: 유출입 어댑터
618: 열전도성 열계면재 620: 사이드 프레임
630: 상부 커버 640: 장착부
642: 사이드 장착부 644: 센터 장착부
650: 플랜지 장착부 W: 폭 방향
L: 길이방향 H: 높이방향

Claims (15)

1. 일렬로 정렬된 복수의 각형 셀을 포함하는 셀 어레이와, 상기 셀 어레이의 양 측면에 각각 배치되고 상단과 하단에 각각 절곡된 상부 플랜지와 하부 플랜지를 구비하는 한 쌍의 사이드 플레이트와, 상기 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트의 폭 방향 양단이 상기 사이드 플레이트의 길이방향 양단에 구비된 사이드 브래킷에 대해 고정되어 상기 셀 어레이가 하나의 블록으로 구속된 배터리 블록; 및
   복수의 상기 배터리 블록이 탑재되는 팩 케이스;
   를 포함하고,
   상기 엔드 플레이트는 상기 팩 케이스에 구비된 장착부에 대해 고정되는 엔드 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 사이드 플레이트에 구비된 상기 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 의해 상기 셀 어레이의 상방과 하방이 동시에 압박되어 상기 복수의 각형 셀이 하나의 블록으로 구속되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
3. 제1항에 있어서,
   상기 사이드 브래킷은,
   상기 팩 케이스에 구비된 장착부에 대해 고정되는 엔드 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 엔드 브래킷은,
   폭 방향과 나란한 체결면을 구비하고, 상기 체결면에는 하나 이상의 체결 홀이 형성되며, 상기 체결 홀을 통해 상기 장착부에 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
5. 제3항에 있어서,
   상기 엔드 브래킷은,
   상기 체결면에 수직한 보강리브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
6. 제1항에 있어서,
   상기 사이드 플레이트는,
   상단과 하단에 각각 절곡 형성된 상기 상부 플랜지 및 하부 플랜지를 구비하는 제1 플레이트와 제2 플레이트가 상호 접합되어 일체를 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
7. 제6항에 있어서,
   상기 사이드 플레이트는,
   상기 제1 및 제2 플레이트에 각각 대면 형성된 오목면이 상호 접합된 접합 리브가 길이방향을 따라 적어도 하나 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
8. 제7항에 있어서,
   상기 엔드 브래킷이 상기 장착부에 대해 고정됨에 따라, 상기 셀 어레이에는 상기 팩 케이스의 베이스 플레이트에 대해 가압된 하방 고정력이 작용하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
9. 제8항에 있어서,
   상기 셀 어레이의 상면에 접촉하는 상부 플랜지의 가장자리는 상기 각형 셀의 전극단자에 대해 5∼10㎜ 범위의 거리로 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
10. 제8항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    바닥면을 이루는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 사방을 따라 벽을 형성하는 사이드 프레임과, 상기 팩 케이스의 상면을 밀폐하는 상부 커버를 포함하고,
    상기 베이스 플레이트 내부에는 냉각매체가 흐르는 냉각유로가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
11. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트에는,
    상기 하부 플랜지의 두께에 대응하는 깊이를 가진 단차 홈이 구비되고, 상기 단차 홈에 상기 하부 플랜지가 삽입되어 상기 배터리 블록이 상기 베이스 플레이트에 대해 정렬되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
12. 제10항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트와 상기 배터리 블록의 접촉면 사이에는, 열전도성 열계면재(TIM, Thermal Interface Material)가 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
13. 제1항에 있어서,
    상기 사이드 브래킷은, 상기 엔드 플레이트에 돌출 구비된 용접볼트에 삽입되는 체결 홈을 구비하고,
    상기 용접볼트와 체결 홈은 용접에 의해 상호 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
14. 제13항에 있어서,
    상기 사이드 브래킷은,
    상기 사이드 플레이트의 폭 방향 중앙을 기준으로 하여 좌우 양측으로 상기 체결 홈을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
15. 제14항에 있어서,
    폭 방향을 따라 배열된 또 하나의 셀 어레이는 상기 사이드 플레이트를 공유하고,
    상기 또 하나의 셀 어레이의 전후면에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드 플레이트에 구비된 용접볼트가 상기 사이드 브래킷의 체결 홈에 대해 고정됨으로써 복수의 셀 어레이가 폭 방향을 따라 확장되는 것을 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

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