WO2021071071A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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WO2021071071A1
WO2021071071A1 PCT/KR2020/009953 KR2020009953W WO2021071071A1 WO 2021071071 A1 WO2021071071 A1 WO 2021071071A1 KR 2020009953 W KR2020009953 W KR 2020009953W WO 2021071071 A1 WO2021071071 A1 WO 2021071071A1
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battery
pack
battery pack
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module
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지호준
박진용
김경모
김경우
문정오
박진하
진희준
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주식회사 엘지화학
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a vehicle including the same, and more particularly, to a battery pack having a structure capable of space-efficiently mounting battery modules, and a vehicle including the same.
  • This application is a priority claim application for Korean Patent Application No. 10-2019-0124812 filed on October 8, 2019, and all contents disclosed in the specification and drawings of the application are incorporated herein by reference.
  • Secondary batteries refer to batteries that can be charged and discharged, unlike primary batteries that cannot be charged, and are not only portable devices, but also electric vehicles (EV, Electric Vehicle) and hybrid vehicles (HEV) that are driven by an electric drive source. Etc.
  • Currently widely used types of secondary batteries include lithium ion batteries, lithium polymer batteries, nickel cadmium batteries, nickel hydride batteries, and nickel zinc batteries.
  • the operating voltage of such a unit secondary battery cell that is, a unit battery cell, is about 2.5V to 4.6V. Therefore, when a higher output voltage is required, a plurality of battery cells are connected in series to form a battery pack.
  • a battery pack may be configured by connecting a plurality of battery cells in parallel according to the charge/discharge capacity required for the battery pack. Accordingly, the number of battery cells included in the battery pack may be variously set according to a required output voltage or charge/discharge capacity.
  • the battery module refers to a component in which a plurality of battery cells are connected in series or in parallel
  • the battery pack refers to a component in which a plurality of battery modules are connected in series or in parallel to increase capacity and output.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an arrangement of battery modules in a conventional battery pack
  • FIG. 2 is a diagram of a conventional battery pack corresponding to a section II-II' of FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram corresponding to a section III-III' of FIG. It is a diagram of a conventional battery pack.
  • FIG. 1 shows an example in which a total of 8 battery modules 20 are arranged in a 2 x 4 matrix in the X direction (horizontal, lengthwise direction of the battery module) x Y direction (vertical, widthwise direction of the battery module) in the XY plane, Some components have been omitted to illustrate the arrangement of the battery module 20 well.
  • the battery module 20 is mounted inside the pack case 10, and the battery module 20 is a crash beam 30 having a rigid structure. It is a structure that is protected by ).
  • the pack case 10 includes a tray 12 and a top cover 14.
  • the battery module 20 includes a plurality of battery cells 22 and a module housing 24 accommodating the battery cells 22.
  • the battery module 20 is mounted on the tray 12, and the battery module 20 and the tray 12 are fastened with mounting bolts 40.
  • a sealing member 50 is interposed between the top cover 14 and the side wall 12a of the tray 12, and the top cover 14 and the tray 12 are assembled.
  • the battery module 20 is composed of a structure in which a plurality of battery cells 22 are combined, when some battery cells are overvoltage, overcurrent or overheated, the safety and operation efficiency of the battery module 20 are largely problematic.
  • a voltage sensor or the like is connected to the battery cells 22 to check and control the operation state in real time or at regular time intervals.
  • the mounting or connection of the detection means is made by a plurality of wires, and conventionally, a wire harness 60 including such a wire is located between the battery modules 20 across the center of the battery pack 1.
  • the battery module 20 and the pack case 10 are clearly separated, and the battery module 20 is a basic unit constituting the battery pack 1 and is located inside the pack case 10 and is It is a structure including the battery cells 22 to be protected by the rigid structure of 10).
  • the pack case 10 forms a rigid structure while protecting the battery module 20.
  • the battery modules 20 are arranged on the tray 12 so as to form a predetermined distance d with the pack case 10 in order to protect the battery module 20.
  • a gap d is provided in the sense of separating the area of the pack case 10 and the battery module 20.
  • a separate space for the mounting bolts 40 is required in the module housing 24 of the battery module 20, and a space for maintaining the gap (d) is required, resulting in loss of utilization of the internal space of the battery pack 1 .
  • the crash beam 30 is also used to increase the mechanical rigidity of the battery pack 1.
  • the crash beam 30 is a beam-shaped structure installed on the tray 12 constituting the pack case 10, and is provided in all directions such as the left and right directions, the vertical direction, and the front and rear directions of the battery modules 20. It may be provided between the battery modules 20.
  • the tray 12 on which the crash beam 30 is installed has high impact resistance, so that deformation does not easily occur even with external shock or vibration.
  • the area occupied by the crash beam 30, the gap d between the crash beam 30 and the battery module 20, and the like are required, so that the space in which the battery module 20 can be mounted is reduced by that amount.
  • an essential cooling device configuration such as the heat sink 70 is further added, there is a problem in that the area ratio or energy density of the battery pack 1 including the heat sink 70 is further lowered.
  • the present invention has been invented to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery pack capable of improving energy density while securing structural stability of a battery module.
  • Another object of the present invention is to provide a vehicle including such a battery pack.
  • the battery pack according to the present invention includes one or more battery modules and a pack case for embedding the battery module
  • the battery module includes: a battery cell stack including one or more battery cells; And a pair of end plates provided in close contact with the front and rear sides of the battery cell stack on both sides of the battery cell in a longitudinal direction
  • the pack case includes: a tray on which the battery module is mounted on an upper surface; And a top cover in which an outer periphery of the tray face-to-face contact with an outer periphery of the tray in a state in which the battery module is embedded.
  • the end plate provides a mechanical support for protecting the battery cell.
  • the end plate protects the battery cells from impacts applied to the front and rear surfaces of the battery cell stack.
  • the battery module includes: a bus bar frame assembled in front and rear of the battery cell stack; An insulating cover coupled to the outside of the bus bar frame; And a side plate coupled to an outermost layer of the battery cell of the battery cell stack, wherein the end plate is a plate-shaped structure that is attached to the outside of the insulating cover.
  • it may further include a sealing member interposed between the outer circumference of the tray and the outer circumference of the top cover coupled to the face-to-face.
  • top cover An outer circumference of the top cover is formed with a fastening extension extending outwardly of the battery pack for fastening to the tray, and a fastening member may be inserted into the fastening extension.
  • a step portion bent upward from the mounting portion of the battery module is formed on the outer circumference of the tray, and to be coupled to the fastening extension by the fastening member at a side wall located above the stepped portion. I can.
  • a flange is formed on any one of the pair of end plates, and the flange is placed on the side wall so as to be positioned at a height between the fastening extension part of the top cover and the stepped part of the tray, and the flange In the fastening member may be inserted.
  • a fastening seat is formed under the other of the pair of end plates, and a fastening member may be inserted into a bracket installed on the tray through the fastening seat.
  • a wire harness is disposed in the space between the top cover and the sidewall.
  • the pair of end plates is provided in a shared structure between the plurality of battery modules so as to integrally connect the plurality of battery modules.
  • the battery modules are arranged in a matrix of 2 x n (n is 1 or more) in the X direction (the length direction of the battery cell) x Y direction in the XY plane, and the battery modules arranged side by side along the X direction are The terminals are arranged to face each other, and the pair of end plates are shared between the battery modules placed along the Y direction.
  • a flange is formed on the end plate facing the outside of the battery pack, and the flange is located at a height between the fastening extension of the top cover and the stepped portion of the tray.
  • a fastening member is inserted into the flange, a fastening seat is formed under the end plate of the pair of end plates facing the inside of the battery pack, and a fastening seat is formed on the bracket installed in the tray. It is preferable that the fastening member is inserted through the fastening seat.
  • the battery module includes: a bus bar frame assembled in front and rear of the battery cell stack; An insulating cover coupled to the outside of the bus bar frame; And a side plate coupled to an outermost layer battery cell of the battery cell stack, wherein the two battery modules are coupled by a center plate to form one large module, and at least one such large module is in the battery pack.
  • two or more large modules are arranged in one direction, and the pair of end plates are shared outside the insulating cover to form a subpack.
  • two sub-packs may be arranged along the length direction of the battery cell.
  • a pack side beam may be further coupled to the outside of at least one of the pair of end plates.
  • the pack side beam may be a sidewall of the tray.
  • a vehicle including the above-described battery pack may be provided.
  • the vehicle may include an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HEV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • a battery pack having a structure capable of space-efficiently mounting battery modules.
  • the rigidity and floor area ratio of the battery pack it is possible to increase the rigidity and floor area ratio of the battery pack. Compared to the conventional battery cell/battery pack floor area ratio can be increased by 9% or more.
  • battery packs of various capacities can be freely implemented by handling two battery modules as a unit of an array and using various arrays through expansion of a unit of days.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an arrangement of battery modules in a conventional battery pack.
  • FIG. 2 is a view of a conventional battery pack corresponding to the section II-II' of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram of a conventional battery pack corresponding to the section III-III' of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an arrangement of battery modules in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram of a battery pack corresponding to a section V-V' of FIG. 4.
  • FIG. 6 is an exploded view showing a state before assembly of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a view for explaining a battery module included in the battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a comparison between a conventional battery pack and a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a top view of another battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for describing a battery module included in the battery pack of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a so-called large module in which two battery modules of FIG. 10 are integrated.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a so-called sub-pack in which three large modules of FIG. 11 are integrated.
  • FIG. 13 is a view for explaining a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an arrangement of battery modules in a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a diagram of a battery pack corresponding to a section V-V' of FIG. 4.
  • 6 is an exploded view showing a state before assembly of FIG. 5.
  • 7 is a view for explaining a battery module included in the battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack of the present invention is not limited to the arrangement of the battery pack A shown in FIG. 4.
  • the structure of 2 rows and 4 columns can be modified according to the required capacity and the target structure to which the battery pack is mounted. 2 x n (n is 1 or more) matrix arrangement is the default.
  • the battery module 200 includes a terminal t, and for example, the battery modules 200 located in the same row may be arranged so that the terminals t of each other face each other. That is, the battery modules 200 arranged side by side along the X direction may be arranged so that the terminals t of each other face each other.
  • the battery pack A includes one or more battery modules 200 and a pack case for embedding the battery module 200. Includes 100.
  • two battery modules 200 are mounted in the pack case 100 along the X direction.
  • the battery module positioned on the left side is referred to as a first battery module 200a
  • the battery module positioned on the right side is referred to as a second battery module 200b.
  • the first battery module 200a is a battery module arranged in the first row in FIG. 4
  • the second battery module 200b is also a battery module arranged in the second row in FIG. 4.
  • Each of the battery modules 200a and 200b does not use a crash beam, which is a rigid structure provided in the existing tray, and has an end plate 240 having a rigidity comparable to that of the conventional tray.
  • the battery modules 200a and 200b basically include one or more battery cells 212 and a pair of end plates 240 provided on both sides of the battery cells 212 in the longitudinal direction.
  • a battery cell stack 214 including one or more, preferably, a plurality of battery cells 212 may be included, and other various components may be included. can do.
  • the battery cells 212 may be formed of a pouch-type secondary battery, and may be provided in plural to be electrically connected to each other.
  • Each battery cell 212 may include various components such as an electrode assembly, a battery case accommodating the electrode assembly, and an electrode lead protruding out of the battery case and electrically connected to the electrode assembly, although not shown in the drawings.
  • the electrode lead may include a positive electrode lead and a negative electrode lead, the positive electrode lead may be connected to the positive electrode plate of the electrode assembly, and the negative electrode lead may be connected to the negative electrode plate of the electrode assembly.
  • the positive lead and the negative lead may protrude to both sides of the battery cell 212 in the length direction, respectively.
  • the positive lead and the negative lead may protrude parallel to one side of the battery cell 212 in the length direction.
  • the positive lead and the negative lead are connected to each other through a connection structure such as a bus bar, so that the plurality of battery cells 212 may be electrically connected.
  • the battery module 200 may further include a stacking frame for stacking and protecting the pouch-type secondary battery.
  • the stacking frame is a means for stacking secondary batteries, preventing the flow of the secondary batteries by holding them, and being configured to be stackable with each other to guide the assembly of the secondary batteries.
  • the stacking frame may be replaced with various other terms such as a cell cover or a cartridge.
  • the busbar frame 220 may be assembled on the side where the positive lead and the negative lead protrude, that is, at the front and rear of the battery cell stack 214.
  • the bus bar frame 220 is a bus bar assembled to the frame, and is coupled to the electrode leads of the battery cells 212 to connect the battery cells 212.
  • An insulating cover 224 may be further coupled to the outside of the bus bar frame 220.
  • the insulating cover 224 may be made of reinforced plastic having excellent electrical insulation and impact resistance.
  • a side plate 226 may be further coupled to the outermost battery cell 212 of the battery cell stack 214.
  • the side plate 226 may be made of, for example, a metal material such as aluminum (Al). All metal materials are possible, but in consideration of thermal conductivity, workability, cost, etc., it is preferable to use steel or aluminum. Light aluminum is particularly preferred.
  • the conventional battery module 20 required a module housing 24 surrounding the front of the battery cell 22, but the battery pack A according to an embodiment of the present invention
  • the included battery module 200 has a structure in which the top and bottom surfaces of the battery cell stacked body 214 are exposed, and only the front and rear sides and side surfaces of the battery cell stacked body 214 are covered.
  • the end plate 240 is a component for protecting and fixing the battery cell stack 214 in the battery module 200, and does not affect the electrical connection portions between the plurality of battery cells 212 and the battery module ( In 200), a pair may be provided on both sides in the length direction.
  • the battery cell stacked body 214 is provided in close contact with each other.
  • an end plate placed toward the outside of the battery pack (A) among a pair of end plates 240 in the drawing is referred to as a first end plate (240a), and toward the inside of the battery pack (A).
  • the placed end plate will be referred to as a second end plate 240b.
  • the end plate 240 may be provided individually for each battery module 200, or may be provided in a shared structure between the battery modules 200 so as to integrally connect a plurality of battery modules 200.
  • first battery modules that come in front of and behind the first battery module 200a that is, the battery modules of the first row disposed along the Y direction in FIG. 4 are a pair of end plates ( 240) may be shared with each other.
  • second battery modules that come in front of and behind the second battery module 200b, that is, the second row of battery modules placed along the Y direction in FIG. 4 share a pair of end plates 240 Can be
  • a plurality of battery modules 200 are configured to share a pair of end plates 240 with each other so that they can have structural integrity as a lump with each other. Then, the handling of the plurality of battery modules 200 becomes easier, and assembly of the battery pack A becomes easier.
  • the end plate 240 may refer to at least one surface of the battery cell stack 214 in the battery module 200, and in this embodiment, a plate-shaped structure that is attached to the outside of the insulating cover 224.
  • the end plate 240 is preferably made of a metal material having high mechanical rigidity and excellent thermal conductivity, and the end plate 240 may serve as a crash beam in an existing battery pack structure. That is, the end plate 240 provides a mechanical support for protecting the battery cell 212.
  • the end plate 240 may be an aluminum-based or steel-based metal material, may be an extruded material, and other materials may be used.
  • the pack case 100 includes a tray 110 and a top cover 140.
  • the tray 110 has a battery module 200 mounted on its upper surface.
  • the heat sink 170 may be placed on the tray 110 and the battery module 200 may be mounted thereon. Since the rigidity of the battery module 200 itself increases, the pack case 100 included in the battery pack of the present invention may be configured to be slimmer compared to the conventional pack case.
  • the battery module 200 may further include cooling fins interposed between the battery cells 212.
  • the cooling fin is a thin member having thermal conductivity such as aluminum, and its end extends to the outside, is connected to a heat absorbing medium such as the heat sink 170, and serves to transfer heat from the battery cells 212 to the outside. I can.
  • the tray 110 provides a space in which a plurality of battery modules 200 are placed.
  • the top cover 140 is a configuration for packaging and receiving a plurality of battery modules 200 together with the tray 110.
  • the tray 110 and the top cover 140 may have a plate-shaped portion having an approximately large area in the mounting portions 111 and 141 of the battery module 200, and the tray 110 and the top cover 140
  • the cross section may be in the shape of a commonly referred to as a hat.
  • the tray 110 and the top cover 140 may be positioned below and above the battery modules 200 to cover the lower and upper portions of the battery modules 200.
  • the top cover 140 may have a fastening extension 142 that is bent and extended in an outward direction of the battery pack A for fastening to the tray 110, and the fastening extension 142 has A plurality of first through holes through which the fastening member P1 is inserted may be perforated.
  • the fastening member P1 may be, for example, bolts or rivets, and it may be advantageous to use bolts considering the case of taking out and servicing each battery module 200 from the pack case 100.
  • a stepped portion 112 that may be bent upward from the mounting portion 111 of the battery module 200 may be formed.
  • a sidewall 112a may be provided on the stepped portion 112. If the height of the step portion 112 is high, the sidewall 112a may be omitted.
  • the step portion 112 and the sidewall 112a may be implemented as an integral part or a combination between parts.
  • a plurality of second through-holes communicating with the first through-holes of the fastening extension 142 may be perforated in the sidewall 112a. The first through holes and the second through holes may couple the top cover 140 and the tray 110 by insertion of the fastening member P1.
  • the fastening member P1 presses the fastening extension 142 of the top cover 140 and the step 112 of the tray 110 and a part of the side wall 112a from the upper surface of the top cover 140 and fixes the space between them. It can be done.
  • a sealing member 150 is interposed between the fastening extension 142 of the top cover 140 and the side wall 112a on the step 112 of the tray 110.
  • the outer periphery of the top cover 140 is coupled to the outer periphery of the tray 110 face-to-face on the upper surface of the tray 110.
  • It is a structure in which the sealing member 150 is closely included between the outer periphery of the tray 110 and the outer periphery of the top cover 140 that are coupled face-to-face.
  • the sealing member 150 prevents the wire harness 160 from being exposed to water even if water enters from the side of the battery pack (A).
  • a flange 242 is formed on the first end plate 240a.
  • the flange 242 may be formed to be positioned at a height between the fastening extension 142 of the top cover 140 and the step 112 of the tray 110 so as to be placed on the sidewall 112a.
  • a third through hole through which the fastening member P2 is inserted may be perforated in the flange 242.
  • a fourth through hole communicating with the third through hole of the flange 242 may be perforated in the side wall 112a toward the inside of the battery pack A than the second through hole.
  • the first end plate 240a and the tray 110 may be coupled by insertion of the fastening member P2.
  • Bolts or rivets may be used as the fastening member P2, for example, and it may be advantageous to use bolts considering the case of taking out and servicing each battery module 200 from the pack case 100.
  • the fastening member P2 may press the flange 242 and the step 112 of the tray 110 and a part of the side wall 112a on the upper surface of the flange 242 and fix the gap therebetween.
  • the size and height of the flange 242 may be adjusted according to the side wall 112a on which the flange 242 is placed.
  • a fastening seat 246 may be formed under the second end plate 240b.
  • the second end plate 240b and the tray 110 may be coupled by insertion of the fastening member P3.
  • Bolts or rivets may be used as the fastening member P3, for example, and it may be advantageous to use bolts considering the case of taking out and servicing each battery module 200 from the pack case 100.
  • the fastening member P3 may fix between the second end plate 240b and the tray 110 while pressing the fastening seat 246 and the bracket 180 from the upper surface of the tray 110.
  • the tray 110 may be an assembly-type tray by assembling the sidewalls 112a and brackets 180, which are individual components, but may have a structure that is integrally molded from the beginning. In the case of integral molding, cost reduction can be achieved by reducing the number of parts and assembly processes.
  • the pack case 100 may be made of plastic resin or the like. In this case, it can be produced by an injection molding method. In the case of injection molding, since the raw material can be liquefied and injected into a mold to form a solid shape, the fastening extension 142 and the first through holes of the top cover 140, the step 112 of the tray 110, The sidewall 112a, the second through holes, and the fourth through holes can be easily manufactured.
  • the pack case 100 can also be manufactured by vacuum molding. Since the cross section of the tray 110 and the top cover 140 is simple in a hat shape, a raw material, which is a solid sheet having a uniform thickness, can be placed on a mold and formed through vacuum.
  • the pack case 100 may be made of a metal material such as steel such as a high-tensile steel plate. In this case, it can be produced by drawing cold molding. Since the cross section of the tray 110 and the top cover 140 is simple in the shape of a hat, a high-tensile steel sheet having a uniform thickness is placed on a mold, and then the shape can be made by drawing one or more times.
  • the battery module 200 has a structure in which a plurality of battery cells 212 are combined, when some battery cells are overvoltage, overcurrent, or overheated, the safety and operation efficiency of the battery module 200 are largely problematic.
  • a voltage sensor or the like must be connected to the battery cells 212 to check and control the operating state in real time or at regular time intervals.
  • the mounting or connection of such a detection means is made by a plurality of wires, and in the present invention, unlike the prior art, a wire harness 160 including such a wire is placed in the center of the battery pack A between the battery modules 200. Rather, the battery modules 200 may be bisected and positioned outside the battery modules 200.
  • the wire harness 160 is disposed in the space between the top cover 140 and the side wall (112a).
  • the end plates 240a and 240b of the battery module 200 replace the crash beam of the existing battery pack.
  • the flange 242 like a T-shaped structure to the first end plate 240a located on the outside, the outer periphery of the top cover 140 can be lowered toward the tray 110 accordingly. That is, the fastening extension 142 may descend toward the tray 110.
  • the fastening member P1 can be fastened to that location. With this structure, it becomes possible to divide and position the wire harness 160 to the outside of the battery modules 200.
  • the end plate 240 may serve to provide mechanical support for the battery modules 200 in place of the existing pack case and protect the battery modules 200 from external shocks.
  • the end plate 240 is capable of protecting the battery cell 212 from an impact applied from the front and rear sides of the battery cell stack 214.
  • the tray 110 and the top cover 140 may be used as covers to maintain an airtight function.
  • the end plate 240 of the battery module 200 forms a rigid structure in each direction of the battery pack A.
  • the battery module 200 itself forms a part of the rigid structure of the battery pack (A), and may serve as a structure of the battery pack (A).
  • the pack case 100 may be a cover as long as it can maintain an airtight function. Therefore, manufacturing of parts/structures can be simplified.
  • the rigidity/space integration of the battery pack and the battery module is achieved due to the integration of rigidity, as a result of omitting structures such as a crash beam and a gap required between the pack case and the battery module, the effect of maximizing the floor area ratio occurs do.
  • FIG 8 is a view comparing a conventional battery pack 1 and a battery pack A according to an embodiment of the present invention.
  • the position of the sealing member 150 of the battery pack A may be located further outside and below the conventional battery pack 1.
  • the wire harness 60 was integrated between the battery modules 20, but in the present invention, the wire harness 160 is bisected and positioned outside the battery modules 200.
  • the position of the sealing member 50 was conventionally at the top of the side wall 12a of the pack case. In order for the sealing member 50 to have airtightness, it is difficult to reduce the size of the side wall 12a supporting it in the related art because the member itself must occupy a certain area.
  • the position of the sealing member 150 can be moved below the conventional one. As a result, a new empty space is created between the top cover 140 and the side wall 112a.
  • a (integrated) wire harness (60) was placed between the crash beams (30), requiring a lot of empty space in the middle.
  • the wire harness 160 may be divided into two, and each may be disposed outward to be disposed in a new empty space created between the top cover 140 and the side wall 112a.
  • the empty space in the inner center of the battery pack A can be reduced.
  • the size of the battery module 200 can be further increased compared to the battery module 20.
  • the end plates 240a and 240b of the battery module 200 replace the crash beam 30 of the existing battery pack 1, so that the crash beam 30 placed at the center of the battery pack 1 ) It is possible to utilize the space according to the removal. Therefore, as shown in Fig. 8, if the length of the conventional battery module 20 is L1, the length of the battery module 200 according to the present invention is L2, and when comparing L1 and L2, the space of the battery module 200 is It can be seen that it can be dramatically increased.
  • the position and mounting of the battery modules 200 can be easily performed with respect to the tray 110 using the end plate 240 and the fastening members P2 and P3, and the end plate 240 ), it is possible to increase the mechanical rigidity of the battery module 200 itself.
  • the space in which the wire harness 160 in the pack case 100 is placed can be processed more efficiently than before.
  • the battery modules 200 can be mounted in the battery pack A in a space efficient manner, and space utilization can be improved. Since the space occupied by the battery module 200 can be increased, such as an increase in the length L2 of the battery module 200 compared to the prior art, the floor area ratio of the battery pack A can be increased.
  • FIGS. 9 to 12 a battery pack according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 12.
  • the same reference numerals are assigned to the same members as in the previous embodiment, and repeated descriptions will be omitted.
  • FIG. 9 is a top view of another battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery pack B includes battery modules 200 ′ arranged in a 2 x 6 matrix in which the number of columns is increased by two compared to FIG. 4.
  • the battery modules 200 ′ are disposed on the tray 110.
  • a sealing member 150 is placed on the outer periphery of the tray 110.
  • the sealing member 150 is, for example, a gasket.
  • FIG. 10 is a diagram for describing a battery module included in the battery pack of FIG. 9.
  • the battery module 200 ′ includes a battery cell 212, a bus bar frame 220, an insulating cover 224, and a side plate 226 as in the battery module 200.
  • FIG. 11 shows a so-called large module 250 in which two battery modules 200 ′ of FIG. 10 are integrated.
  • the large module 250 two battery modules 200' are arranged side by side in the Y direction.
  • a center plate 230 including an empty space may be included between the two battery modules 200 ′.
  • the center plate 230 may serve to couple the two battery modules 200 ′ while regularly spaced between the two battery modules 200 ′.
  • the center plate 230 includes an empty space, and as the space is reduced, it may also serve to absorb cell swelling.
  • a plurality of battery modules 20 are arranged in units of one, but in the battery pack B according to another embodiment of the present invention, two battery modules 200 ′ are provided with a center plate ( One large module 250, which is combined and configured by 230), becomes a basic unit. Therefore, twice the number of battery cells than the conventional one can be the basic unit of the array. For example, if the number of battery cells included in one of the battery modules 20 and 200 ′ is 24, the large module 250 includes 48 battery cells.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a so-called sub-pack 260 in which the large module 250 of FIG. 11 is integrated.
  • the sub-pack 260 may be provided by arranging two or more large modules 250 in one direction, and in the Y direction in the present embodiment. In this embodiment, three large modules 250 are arranged in order to complete the 2 x 6 arrangement. That is, the sub-pack 260 is an extension of the large module 250, which is a basic unit of the array, and the sub-pack 260 is a combination of six battery modules 200'. In the sub-pack 260, an empty space g is formed between adjacent large modules 250 (see FIG. 9). Therefore, even if an impact is applied to the battery pack B from the outside, the impact is hardly transmitted across the large modules 250, so that damage is not applied to the inside of the battery module 200'. In addition, due to this empty space (g), even if an event such as ignition occurs in one large module 250, it is also possible to prevent moving to the other large module 250. Safety can also be secured.
  • a pair of end plates 240 are coupled to both sides along the Y direction.
  • a pair of end plates 240 are shared outside the insulating cover 224 of each battery module 200'.
  • the pack side beam 270 may be further coupled to at least one of the pair of end plates 240 is also presented.
  • the pack side beam 270 that is placed toward the outside of the battery pack B may be the side wall 112a of the tray 110 as mentioned in the previous embodiment. It is of course possible that the pack side beam 270 and the side wall 112a coexist or the pack side beam 270 and the side wall 112a are formed in combination.
  • the end plate 240 and the pack side beam 270 allow a plurality of large modules 250 to be fastened together, for example, through bolts 280 fastening. Since the end plate 240 is a rigid material, the sub-pack 260 basically has a unit structure having a rigidity enough to be viewed as a battery pack, and handling is facilitated, so that assembly of the battery pack (B) is facilitated.
  • two sub packs 260 are placed side by side along the X direction, that is, the length direction of the battery cells.
  • X direction that is, the length direction of the battery cells.
  • Those skilled in the art will be able to change the number of sub-packs and the number of large modules contained in the sub-pack to satisfy an arrangement other than the 2 x 6 arrangement.
  • a large module consisting of two battery modules 200 ′ is treated as a unit of an array, and various arrays are used through daily expansion, so that a battery pack of various capacities can be freely implemented.
  • the connection between the battery modules 200 ′ in the sub pack 260 is made as the end plate 240, so that the rigid structure required for the battery pack B is obtained in units of the sub pack 260. It is completed.
  • the battery pack B may be configured to further include a pack case 100 capable of maintaining an airtight function as a cover. Therefore, manufacturing of parts/structures, particularly parts/structures of the pack case 100 can be simplified.
  • the conventional battery pack 1 there is a limitation in that space loss occurs due to securing a gap between the battery modules 20 and a gap between the battery module 20 and the pack case 10. In the present invention, it is not necessary to secure such a gap.
  • the large module 250 includes 48 battery cells, it was possible to obtain a simulation result in which the battery module 20 increased the floor area ratio by 9% compared to the conventional battery pack 1 including 24 battery cells. In this way, according to the present invention, it is possible to increase the rigidity and floor area ratio of the battery pack.
  • FIG. 13 is a view for explaining a vehicle according to another embodiment of the present invention.
  • the vehicle C may include the battery pack A or the battery pack B of the previous embodiment.
  • the battery pack A is included.
  • the vehicle C may be an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a vehicle including the battery pack A as a fuel source.
  • the vehicle C since the vehicle C according to the present embodiment includes the battery pack A of the previous embodiment, it includes all the advantages of the battery pack A of the previous embodiment. It goes without saying that the battery pack (A) may be provided in a power storage device using the battery pack (A) as an energy source, or other devices or devices in addition to the vehicle (C).
  • a battery pack capable of increasing energy density and a vehicle including the battery pack may be provided.

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Abstract

배터리 모듈의 구조적 안정성을 확보하면서도 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈을 내장하기 위한 팩 케이스를 포함하며, 상기 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀이 포함된 배터리 셀 적층체; 및 상기 배터리 셀의 길이 방향 양측으로 상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 밀착 구비되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 모듈이 상면에 장착되는 트레이; 및 상기 배터리 모듈을 내장한 상태로 상기 트레이의 상면에서 외주가 트레이의 외주와 대면 결합하는 탑 커버;를 포함하여, 상기 엔드 플레이트가 상기 배터리 셀을 보호하는 기계적 지지력을 제공한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 모듈들을 공간 효율적으로 탑재할 수 있는 구조의 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다. 본 출원은 2019년 10월 8일자로 출원된 한국 특허출원번호 제10-2019-0124812호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle), 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 응용되고 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 ~ 4.6V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 다수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 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.
다수의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀, 바람직하게, 다수의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 배터리 모듈을 적어도 하나 이용하고 기타 구성요소를 추가해 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 여기서, 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀이 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미하고, 배터리 팩은 용량 및 출력 등을 높이기 위해 다수의 배터리 모듈이 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미한다.
도 1은 종래 배터리 팩 안의 배터리 모듈 배열을 예시한 개략도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면에 해당하는 종래 배터리 팩의 도면, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ' 단면에 해당하는 종래 배터리 팩의 도면이다.
도 1에서는 총 8개의 배터리 모듈(20)을 XY 평면에서 X 방향(가로, 배터리 모듈의 길이 방향) x Y 방향(세로, 배터리 모듈의 너비 방향)으로 2 x 4 행렬 배치한 예를 도시하였고, 배터리 모듈(20)의 배열을 잘 도시하기 위하여 일부 구성요소는 도시를 생략하였다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 종래 배터리 팩(1)을 살펴보면, 팩 케이스(10) 내부에 배터리 모듈(20)이 장착되어 있고, 배터리 모듈(20)은 강성 구조인 크래쉬 빔(crash beam, 30)에 의해 보호되는 구조이다.
팩 케이스(10)는 트레이(12)와 탑 커버(14)로 이루어진다. 배터리 모듈(20)은 다수의 배터리 셀(22)과 이러한 배터리 셀(22)을 수용하는 모듈 하우징(24)을 포함한다. 트레이(12) 위에 배터리 모듈(20)이 탑재되어 마운팅 볼트(40)로 배터리 모듈(20)과 트레이(12)가 체결된다. 탑 커버(14)와 트레이(12)의 측벽(12a) 사이에는 씰링부재(50)가 개재되고 탑 커버(14)와 트레이(12)가 조립된다.
배터리 모듈(20)은 다수의 배터리 셀(22)이 조합된 구조로 이루어져 있으므로, 일부 배터리 셀이 과전압, 과전류 또는 과발열되는 경우에는 배터리 모듈(20)의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이를 검출하여 제어하기 위한 수단이 필요하다. 따라서, 전압 센서 등을 배터리 셀(22)들에 연결하여 실시간 또는 일정한 시간 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어하고 있다. 이러한 검출수단의 장착 내지 연결은 다수의 와이어에 의해 이루어지고, 종래에는 이러한 와이어를 포함하는 와이어 하네스(60)가 배터리 팩(1)의 센터를 가로질러 배터리 모듈(20)들 사이에 위치하고 있다.
종래에는 배터리 모듈(20)과 팩 케이스(10)가 확연하게 구분된 형태로, 배터리 모듈(20)은 배터리 팩(1)을 구성하는 기본 단위로서 팩 케이스(10) 내부에 위치하면서 팩 케이스(10)의 강성 구조에 의해 보호받아야 하는 배터리 셀(22)을 포함하는 구조물이다. 팩 케이스(10)는 배터리 모듈(20)을 보호하면서 강성 구조를 이룬다.
전기 자동차의 경우, 운행 중 예기치 않은 충격과 진동이 배터리 팩(1)에 가해질 수 있다. 이 경우, 배터리 모듈(20) 간의 전기적 연결이 끊어지거나 배터리 모듈(20)을 지지하는 팩 케이스(10)의 변형이 일어날 수 있다. 따라서 특히, 전기 자동차용 배터리 팩은 외부 충격과 진동에 대한 충분한 내구성이 요구된다.
그 해결 방안으로 종래 배터리 팩(1)에서는 배터리 모듈(20)이 보호받기 위해 팩 케이스(10)와 일정 간격(d)을 이루도록 트레이(12) 상에 배터리 모듈(20)이 정렬되어 있다. 배터리 팩(1)의 외부 충격으로부터 배터리 모듈(20)을 보호하기 위하여, 팩 케이스(10)와 배터리 모듈(20)의 영역을 분리하는 의미에서 간격(d)을 두는 것이다. 하지만 배터리 모듈(20)의 모듈 하우징(24)에 마운팅 볼트(40)를 위한 별도 공간이 필요하고, 간격(d) 유지를 위한 공간이 필요해, 배터리 팩(1) 내부 공간 활용의 손실이 발생된다.
크래쉬 빔(30)도 배터리 팩(1)의 기계적 강성을 높이는 데 사용되고 있다. 여기서 크래쉬 빔(30)은 팩 케이스(10)를 구성하는 트레이(12)에 설치되는 빔 형태의 구조물이고, 배터리 모듈(20)들의 좌우 방향, 상하 방향 및 전후 방향 등 모든 방향에 구비되어 다수의 배터리 모듈(20)들 사이마다 마련될 수 있다. 크래쉬 빔(30)이 설치된 트레이(12)는 내충격성이 높아져 외부 충격 또는 진동에도 변형이 쉽게 일어나지 않는다. 그렇지만, 크래쉬 빔(30)이 차지하는 면적, 크래쉬 빔(30)과 배터리 모듈(20) 사이의 간격(d) 등이 필요해, 배터리 모듈(20)을 탑재할 수 있는 공간이 그만큼 줄어든다. 더욱이 히트싱크(70) 등의 필수적인 냉각 장치 구성을 더 추가하면 이를 포함한 배터리 팩(1)의 용적률 내지 에너지 밀도가 더 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 배터리 모듈(20) 무게에 의해 트레이(12) 하부에 처짐(S)이 발생할 수 있으므로, 그 무게 지지를 위한 하부 강성 구조 공간도 필요해지는 바, 역시 공간 활용의 손실이 발생되는 한계도 있다.
이와 같이 배터리 팩의 기계적 강성과 에너지 밀도의 증대를 동시에 달성하기가 쉽지 않음에도 불구하고 최근 이차전지 관련 산업 분야에서는 구조적 안정성, 냉각 성능 확보 및 고에너지 밀도 조건을 모두 충족시킬 수 있는 배터리 팩에 대한 요구가 많아지고 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈의 구조적 안정성을 확보하면서도 에너지 밀도를 향상시킬 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적들 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈을 내장하기 위한 팩 케이스를 포함하며, 상기 배터리 모듈은, 하나 이상의 배터리 셀이 포함된 배터리 셀 적층체; 및 상기 배터리 셀의 길이 방향 양측으로 상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 밀착 구비되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 팩 케이스는, 상기 배터리 모듈이 상면에 장착되는 트레이; 및 상기 배터리 모듈을 내장한 상태로 상기 트레이의 상면에서 외주가 트레이의 외주와 대면 결합하는 탑 커버;를 포함하여, 상기 엔드 플레이트가 상기 배터리 셀을 보호하는 기계적 지지력을 제공한다.
상기 엔드 플레이트는 상기 배터리 셀 적층체의 전후방에서 가해지는 충격으로부터 상기 배터리 셀을 보호한다.
일 실시예에서, 상기 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 조립되는 버스바 프레임; 상기 버스바 프레임의 외측으로 결합된 절연커버; 및 상기 배터리 셀 적층체의 최외층 배터리 셀에 결합된 사이드 플레이트를 더 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 상기 절연커버의 외측으로 덧대이는 판형 구조물이다.
본 발명에 있어서, 상기 대면 결합하는 트레이의 외주와 탑 커버의 외주 사이에 개재되는 씰링부재를 더 포함할 수 있다.
상기 탑 커버의 외주에는 상기 트레이에 대한 체결을 위해 상기 배터리 팩의 바깥쪽 방향으로 절곡 연장된 체결 연장부가 형성되어 있고, 상기 체결 연장부에는 체결부재가 삽입될 수 있다.
여기서, 상기 체결 연장부에 대응하여, 상기 트레이의 외주에는 상기 배터리 모듈의 장착 부위로부터 상향 절곡된 단차부가 형성되어 있고, 상기 단차부 위에 위치한 측벽에서 상기 체결부재에 의해 상기 체결 연장부와 결합될 수 있다.
또한 여기서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나에는 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 플랜지는 상기 탑 커버의 체결 연장부와 상기 트레이의 단차부 사이의 높이에 위치하도록 해 상기 측벽에 놓이며, 상기 플랜지에는 체결부재가 삽입될 수 있다.
또한 여기서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 다른 하나의 하부에는 체결좌가 형성되어 있으며, 상기 트레이에 설치한 브라켓에 상기 체결좌를 통해 체결부재가 삽입될 수 있다.
바람직하기로, 상기 탑 커버와 측벽 사이의 공간에 와이어 하네스가 배치된다.
특히 바람직하기로, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 다수의 배터리 모듈을 통합 연결하도록 상기 다수의 배터리 모듈간에 공유 구조로 구비된다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 배터리 모듈은 XY 평면에서 X 방향(상기 배터리 셀의 길이 방향) x Y 방향으로 2 x n (n은 1 이상) 행렬 배치되며, X 방향을 따라 나란히 놓인 배터리 모듈들은 서로의 단자들이 마주보는 형태가 되게끔 배치되어 있으며, 상기 Y 방향을 따라 놓이는 배터리 모듈간에 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 공유한다.
이 경우에, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 상기 배터리 팩의 바깥쪽을 향하여 놓이는 엔드 플레이트에는 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 플랜지는 상기 탑 커버의 체결 연장부와 상기 트레이의 단차부 사이의 높이에 위치하도록 해 상기 측벽에 놓이며, 상기 플랜지에는 체결부재가 삽입되고, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 상기 배터리 팩 안쪽을 향하여 놓이는 엔드 플레이트 하부에는 체결좌가 형성되어 있으며, 상기 트레이에 설치한 브라켓에 상기 체결좌를 통해 체결부재가 삽입되는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 상기 배터리 모듈은, 상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 조립되는 버스바 프레임; 상기 버스바 프레임의 외측으로 결합된 절연커버; 및 상기 배터리 셀 적층체의 최외층 배터리 셀에 결합된 사이드 플레이트를 더 포함하고, 상기 배터리 모듈 두 개가 센터 플레이트에 의해 결합되어 하나의 라지 모듈을 구성하며, 이러한 라지 모듈 하나 이상이 상기 배터리 팩 안에 포함된다.
바람직하기로, 상기 라지 모듈을 두 개 이상 일 방향으로 배열하고, 상기 절연커버의 외측으로 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 공유시켜 서브 팩을 구성한다.
이 때, 상기 서브 팩을 상기 배터리 셀의 길이 방향을 따라 두개 배열할 수 있다.
상기 서브 팩 안에서 서로 인접한 라지 모듈 사이에는 빈 공간이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 적어도 어느 하나 외측으로는 팩 사이드 빔이 더 결합되어 있을 수 있다.
상기 팩 사이드 빔이 상기 트레이의 측벽이 될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다. 상기 자동차는 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈들을 공간 효율적으로 탑재할 수 있는 구조의 배터리 팩이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 배터리 팩의 강성 및 용적률을 증가시킬 수 있다. 종래 대비 배터리 셀/배터리 팩 용적률을 9% 이상 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 배터리 모듈 두 개를 어레이의 일 단위로 취급하여 일 단위의 확장을 통해 다양한 어레이를 구사함으로써 다양한 용량의 배터리 팩을 자유롭게 구현할 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 아니된다.
도 1은 종래 배터리 팩 안의 배터리 모듈 배열을 예시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면에 해당하는 종래 배터리 팩의 도면이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ' 단면에 해당하는 종래 배터리 팩의 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 안의 배터리 모듈 배열을 예시한 개략도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ'단면에 해당하는 배터리 팩의 도면이다.
도 6은 도 5의 조립 전 상태를 나타내는 분해도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 종래 배터리 팩과 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 비교한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 배터리 팩의 상면도이다.
도 10은 도 9의 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 배터리 모듈을 두 개 집적한 이른바 라지 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 11의 라지 모듈을 세개 집적한 이른바 서브 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
즉, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 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.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 안의 배터리 모듈 배열을 예시한 개략도이다. 도 5는 도 4의 V-V' 단면에 해당하는 배터리 팩의 도면이다. 도 6은 도 5의 조립 전 상태를 나타내는 분해도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 총 8개의 배터리 모듈(200)을 XY 평면에서 X 방향(가로, 배터리 모듈의 길이 방향) x Y 방향(세로, 배터리 모듈의 너비 방향)으로 2 x 4 행렬 배치한 예를 도시하였다. 하지만 본 발명의 배터리 팩이 도 4에 도시한 배터리 팩(A)의 배열에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 배터리 팩은 필요한 용량 및 배터리 팩이 장착되는 대상 구조물에 따라 2행 및 4열의 구조는 얼마든지 변형 가능하다. 2 x n (n은 1 이상) 행렬 배치가 기본이다.
한편, 배터리 팩(A) 안에는 배터리 모듈(200)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치(미도시), 예컨대 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다. 도 4에서는 배터리 모듈(200)의 배열을 잘 도시하기 위하여 일부 구성요소는 생략해 도시하였다. 배터리 모듈(200)은 단자(t)를 포함하며, 예를 들어 같은 열에 위치하는 배터리 모듈(200)들은 서로의 단자(t)들이 마주보는 형태가 되게끔 배치되어 있을 수 있다. 즉, X 방향을 따라 나란히 놓인 배터리 모듈(200)들은 서로의 단자(t)들이 마주보는 형태가 되게끔 배치되어 있을 수 있다.
도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(A)을 살펴보면, 배터리 팩(A)은 하나 이상의 배터리 모듈(200)과 이러한 배터리 모듈(200)을 내장하기 위한 팩 케이스(100)를 포함한다.
도시한 예에서는, 팩 케이스(100) 내부에 배터리 모듈(200)이 X 방향을 따라 두 개 장착되어 있다. 설명의 편의를 위하여, 도면에서 좌측에 위치하는 배터리 모듈을 제1 배터리 모듈(200a), 우측에 위치하는 배터리 모듈을 제2 배터리 모듈(200b)이라고 부르기로 한다. 제1 배터리 모듈(200a)은 도 4에서 제1행에 배치된 배터리 모듈이고, 제2 배터리 모듈(200b)은 도 4에서 제2행에 배치된 배터리 모듈이기도 하다. 각각의 배터리 모듈(200a, 200b)은 기존에 트레이에 구비되던 강성 구조인 크래쉬 빔을 사용하지 않고, 그에 버금가는 강성을 가진 엔드 플레이트(240)가 구비된 구조이다. 배터리 모듈(200a, 200b)은 하나 이상의 배터리 셀(212)과 이러한 배터리 셀(212)의 길이 방향 양측으로 구비되는 한 쌍의 엔드 플레이트(240)를 기본적으로 포함한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 구체적으로, 배터리 모듈(200) 안에는 하나 이상의, 바람직하게는 다수의 배터리 셀(212)이 포함된 배터리 셀 적층체(214)가 포함될 수 있으며, 그밖에 각종 부품들을 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(212)은 파우치형 이차전지로 이루어질 수 있으며, 다수로 구비되어 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
각각의 배터리 셀(212)은, 도면에서 도시하지는 않았지만, 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스 및 상기 전지 케이스 밖으로 돌출되며 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 리드 등 다양한 부품을 포함할 수 있다. 전극 리드는 양극 리드와 음극 리드를 포함할 수 있으며, 양극 리드는 전극 조립체의 양극판에 연결되고, 음극 리드는 전극 조립체의 음극판에 연결될 수 있다. 그리고, 양방향 전지인 경우, 양극 리드와 음극 리드는 배터리 셀(212)의 길이 방향 양측으로 각각 돌출되어 있을 수 있다. 단방향 전지인 경우, 양극 리드와 음극 리드는 배터리 셀(212)의 길이 방향 일측으로 나란히 돌출되어 있을 수 있다. 이러한 양극 리드와 음극 리드는 버스바와 같은 연결 구조물을 통해 서로 연결이 되어 다수의 배터리 셀(212) 사이가 전기적으로 연결될 수 있는 것이다.
배터리 모듈(200)은 파우치형 이차전지의 적층 및 보호를 위한 적층용 프레임을 더 포함하고 있을 수도 있다. 적층용 프레임은 이차전지를 적층하기 위한 수단으로서, 이차전지를 홀딩함으로써 그 유동을 방지시키고, 상호 간 적층 가능하도록 구성되어 이차전지의 조립을 가이드하는 역할을 한다. 참고로, 적층용 프레임은 셀 커버 또는 카트리지(cartridge) 등 다른 다양한 용어로 대체될 수도 있다.
양방향 전지의 경우 양극 리드와 음극 리드가 돌출되어 있는 쪽, 그러니까 배터리 셀 적층체(214)의 전후방에는 버스바 프레임(220)이 조립될 수 있다. 버스바 프레임(220)은 프레임에 버스바가 조립되어 있는 것으로, 배터리 셀(212)의 전극 리드에 결합하여 배터리 셀(212)들 사이를 연결하기 위한 것이다. 버스바 프레임(220) 외측으로는 절연커버(224)가 더 결합될 수 있다. 절연커버(224)는 전기 절연성 및 내충격성이 우수한 강화 플라스틱 등으로 제작될 수 있다.
배터리 셀 적층체(214)의 최외층 배터리 셀(212)에는 사이드 플레이트(226)가 더 결합될 수 있다. 사이드 플레이트(226)는 예를 들어, 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 모든 금속 재질이 가능하지만, 열전도성, 가공성, 비용 등을 고려하였을 때 스틸 계열 또는 알루미늄 계열이 사용되는 것이 바람직하다. 가벼운 알루미늄이 특히 바람직하다. 도 2 및 도 3에서 본 바와 같이 종래의 배터리 모듈(20)에는 배터리 셀(22)의 전면을 둘러싸는 모듈 하우징(24)이 필요했으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(A)에 포함되는 배터리 모듈(200)은 배터리 셀 적층체(214)의 상면과 하면은 노출시키고, 전후방과 측면만 커버시켜도 되는 구조이므로 경량화에 유리하다.
엔드 플레이트(240)는 배터리 모듈(200) 안의 배터리 셀 적층체(214)를 보호하고 고정하기 위한 구성요소로서, 다수의 배터리 셀(212) 사이의 전기적 연결 부위에 영향을 주지 않으면서 배터리 모듈(200)에서 길이 방향 양측으로 한 쌍이 구비될 수 있다. 본 실시예에서는, 배터리 셀 적층체(214)의 전후방에 밀착 구비된다. 설명의 편의를 위하여, 도면에서 한 쌍의 엔드 플레이트(240) 중에서 배터리 팩(A)의 바깥쪽을 향하여 놓이는 엔드 플레이트를 제1 엔드 플레이트(240a)라고 부르고, 배터리 팩(A)의 안쪽을 향하여 놓이는 엔드 플레이트를 제2 엔드 플레이트(240b)라고 부르기로 한다.
엔드 플레이트(240)는 배터리 모듈(200)마다 개별적으로 구비가 될 수도 있고, 다수의 배터리 모듈(200)을 통합 연결하도록 배터리 모듈(200)간에 공유 구조로 구비될 수도 있다. 예를 들어 도시한 예에서, 제1 배터리 모듈(200a)의 앞, 뒤로 오는 다른 제1 배터리 모듈들, 그러니까 도 4에서 Y 방향을 따라 놓여져 있는 제1행의 배터리 모듈들이 한 쌍의 엔드 플레이트(240)를 서로 공유하는 구조일 수 있다. 마찬가지로, 제2 배터리 모듈(200b)의 앞, 뒤로 오는 다른 제2 배터리 모듈들, 그러니까 도 4에서 Y 방향을 따라 놓여져 있는 제2행의 배터리 모듈들이 한 쌍의 엔드 플레이트(240)를 공유하는 구조일 수 있다.
바람직하기로는 다수의 배터리 모듈(200)이 서로 한 쌍의 엔드 플레이트(240)를 공유하도록 하여 서로 간에 한 덩어리로 구조적 완결성을 가질 수 있게끔 구성한다. 그러면 다수의 배터리 모듈(200) 취급이 용이해지고, 배터리 팩(A) 조립이 더 수월해진다.
엔드 플레이트(240)는 배터리 모듈(200) 안의 배터리 셀 적층체(214)의 적어도 일면, 본 실시예에서는 절연커버(224) 외측으로 덧대이는 판형 구조물을 의미할 수 있다. 이러한 엔드 플레이트(240)는 기계적 강성이 높고 열전도성이 우수한 금속 재질로 제작되는 것이 바람직하고, 이러한 엔드 플레이트(240)는 기존 배터리 팩 구조에서의 크래쉬 빔 역할을 대신 할 수 있다. 즉, 엔드 플레이트(240)가 배터리 셀(212)을 보호하는 기계적 지지력을 제공하게 된다. 엔드 플레이트(240)는 알루미늄 계열 또는 스틸 계열의 금속 재질일 수 있고 압출재일 수 있으며, 그밖의 다른 재료를 이용하여도 좋다.
팩 케이스(100)는 트레이(110)와 탑 커버(140)로 이루어진다. 트레이(110) 는 그 상면에 배터리 모듈(200)이 장착된다. 트레이(110) 위에 히트싱크(170)를 두고 그 위에 배터리 모듈(200)이 탑재되면서 장착될 수 있다. 배터리 모듈(200) 자체의 강성이 증가하므로, 기존의 팩 케이스에 비하여 본 발명의 배터리 팩에 포함되는 팩 케이스(100)는 보다 슬림하게 구성되어도 된다.
자세히 도시하지 않았으나, 배터리 모듈(200)은 배터리 셀(212)들 사이사이에 개재되는 냉각핀을 더 포함할 수도 있다. 냉각핀은 알루미늄과 같은 열전도성을 가지는 박형의 부재로, 끝단부가 외부로 연장되어, 히트싱크(170)와 같은 열 흡수 매체에 연결되고 배터리 셀(212)들의 열을 외부로 전달하는 역할을 할 수 있다.
트레이(110)는 다수의 배터리 모듈(200)들이 놓이는 공간을 제공한다. 탑 커버(140)는 트레이(110)와 함께 다수의 배터리 모듈(200)을 내장한 상태로 패키징하여 수납하기 위한 구성이다.
트레이(110)와 탑 커버(140)는 배터리 모듈(200)의 장착 부위(111, 141)에 대략 넓은 면적을 가진 플레이트 형태의 부분을 가질 수 있으며, 트레이(110)와 탑 커버(140)의 단면은 흔히 말하는 모자(hat) 형상일 수 있다. 트레이(110)와 탑 커버(140)는 배터리 모듈(200)들의 하부와 상부에 각각 위치되어 배터리 모듈(200)들의 하부와 상부를 커버할 수 있다.
탑 커버(140)는 트레이(110)에 대한 체결을 위해 배터리 팩(A)의 바깥쪽 방향으로 절곡 연장된 체결 연장부(142)가 외주에 형성되어 있을 수 있고, 체결 연장부(142)에는 체결부재(P1)가 삽입되기 위한 복수의 제1 관통구들이 천공되어 있을 수 있다. 체결부재(P1)는 예를 들면 볼트 또는 리벳 등이 이용될 수 있는데, 각각의 배터리 모듈(200)을 팩 케이스(100)으로부터 꺼내어 정비하는 경우를 감안한다면 볼트가 이용되는 것이 유리할 수 있다.
트레이(110)의 외주에는 탑 커버(140)의 체결 연장부(142)에 대응하여, 배터리 모듈(200) 장착 부위(111)로부터 상향 절곡되어 마련될 수 있는 단차부(112)가 형성되어 있을 수 있다. 단차부(112) 위에는 측벽(112a)이 마련되어 있을 수 있다. 단차부(112)의 높이가 높다면 측벽(112a)이 생략될 수 있다. 단차부(112)와 측벽(112a)은 일체의 부품, 또는 부품간 결합으로 구현될 수 있다. 측벽(112a)에는 체결 연장부(142)의 제1 관통구들에 연통되는 복수의 제2 관통구들이 천공되어 있을 수 있다. 제1 관통구들과 제2 관통구들은 체결부재(P1)의 삽입에 의해 탑 커버(140)와 트레이(110)를 결합시킬 수 있다. 체결부재(P1)는 탑 커버(140)의 상면에서 탑 커버(140)의 체결 연장부(142)와 트레이(110)의 단차부(112) 및 측벽(112a) 일부를 가압하면서 이들 사이를 고정할 수가 있는 것이다. 바람직하게, 탑 커버(140)의 체결 연장부(142)와 트레이(110)의 단차부(112) 위의 측벽(112a) 사이에 씰링부재(150)가 개재되어 있다. 이와 같이하여, 탑 커버(140)는 트레이(110)의 상면에서 외주가 트레이(110)의 외주와 대면 결합하게 된다. 상기 대면 결합하는 트레이(110)의 외주와 탑 커버(140)의 외주 사이에 씰링부재(150)가 밀접하게 포함되는 구조이다. 씰링부재(150)는 배터리 팩(A)의 측부에서 물이 침입해도 와이어 하네스(160) 등이 물에 노출되는 것을 방지한다.
제1 엔드 플레이트(240a)에는 플랜지(242)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 플랜지(242)는 탑 커버(140)의 체결 연장부(142)와 트레이(110)의 단차부(112) 사이의 높이에 위치하도록 해, 측벽(112a)에 놓이도록 형성할 수 있다. 플랜지(242)에는 체결부재(P2)가 삽입되기 위한 제3 관통구가 천공되어 있을 수 있다. 그리고, 측벽(112a)에는 제2 관통구보다 배터리 팩(A)의 안쪽으로, 플랜지(242)의 제3 관통구에 연통되는 제4 관통구가 천공되어 있을 수 있다. 체결부재(P2)의 삽입에 의해 제1 엔드 플레이트(240a)와 트레이(110)를 결합시킬 수 있다. 체결부재(P2)는 예를 들면 볼트 또는 리벳 등이 이용될 수 있는데, 각각의 배터리 모듈(200)을 팩 케이스(100)으로부터 꺼내어 정비하는 경우를 감안한다면 볼트가 이용되는 것이 유리할 수 있다. 체결부재(P2)는 플랜지(242)의 상면에서 플랜지(242)와 트레이(110)의 단차부(112) 및 측벽(112a) 일부를 가압하면서 이들 사이를 고정할 수가 있다. 플랜지(242)의 크기, 높이는 플랜지(242)가 놓이는 측벽(112a)에 맞추어 조절이 될 수 있다.
제2 엔드 플레이트(240b) 하부에는 체결좌(246)가 형성되어 있을 수 있으며, 예를 들어 트레이(110)의 대략 중앙부에 상기 체결좌(246)와 대응되는 위치에 브라켓(180)을 설치하여 두고, 체결부재(P3)의 삽입에 의해 제2 엔드 플레이트(240b)와 트레이(110)를 결합시킬 수 있다. 체결부재(P3)는 예를 들면 볼트 또는 리벳 등이 이용될 수 있는데, 각각의 배터리 모듈(200)을 팩 케이스(100)으로부터 꺼내어 정비하는 경우를 감안한다면 볼트가 이용되는 것이 유리할 수 있다. 체결부재(P3)는 트레이(110)의 상면에서 체결좌(246)와 브라켓(180)을 가압하면서 제2 엔드 플레이트(240b)와 트레이(110) 사이를 고정할 수가 있다.
한편, 트레이(110)는 개별 부품인 측벽(112a) 및 브라켓(180)이 조립되어 어셈블리 타입의 트레이가 될 수도 있지만, 처음부터 일체 성형되어 있는 구조일 수도 있다. 일체 성형인 경우 부품수, 조립 공정 수가 감소해 비용 절감을 도모할 수 있다.
팩 케이스(100)는 플라스틱 수지 등으로 제조될 수 있다. 이 경우, 사출 성형 공법으로 생산할 수 있다. 사출 성형의 경우, 원재료를 액화시킨 후 금형에 주입하여 고체 형상을 만들 수 있기 때문에 탑 커버(140)의 체결 연장부(142)와 제1 관통구들, 트레이(110)의 단차부(112), 측벽(112a), 제2 관통구들, 제4 관통구들을 쉽게 제조할 수 있다. 진공성형으로도 팩 케이스(100)를 제조할 수 있다. 트레이(110)와 탑 커버(140)의 단면이 모자 형상으로 간단하기 때문에 균일한 두께의 고체의 쉬트(sheet)인 원재료를 금형 위에 올린 후 진공을 통해 형상을 만들 수 있다.
팩 케이스(100)는 고장력 강판과 같은 스틸 등의 금속 재질로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 드로잉(drawing) 방식의 콜드 성형으로 생산할 수 있다. 트레이(110)와 탑 커버(140)의 단면이 모자 형상으로 간단하기 때문에 균일한 두께의 고장력 강판을 금형 위에 올린 후 한 차례 이상의 드로잉을 통해 형상을 만들 수 있다.
배터리 모듈(200)은 다수의 배터리 셀(212)이 조합된 구조로 이루어져 있으므로, 일부 배터리 셀이 과전압, 과전류 또는 과발열되는 경우에는 배터리 모듈(200)의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이를 검출하여 제어하기 위한 수단이 필요하다. 따라서, 전압 센서 등을 배터리 셀(212)들에 연결하여 실시간 또는 일정한 시간 간격으로 작동 상태를 확인하여 제어해야 한다. 이러한 검출수단의 장착 내지 연결은 다수의 와이어에 의해 이루어지고, 본 발명에서는 종래와 달리 이러한 와이어를 포함하는 와이어 하네스(160)를 배터리 모듈(200)들 사이인 배터리 팩(A)의 센터에 두는 것이 아니라, 배터리 모듈(200)들 바깥쪽으로 양분하여 위치시킬 수 있다. 특히, 와이어 하네스(160)는 탑 커버(140)와 측벽(112a) 사이의 공간에 배치된다.
본 발명에서는 배터리 모듈(200)의 엔드 플레이트(240a, 240b)가 기존 배터리 팩의 크래쉬 빔을 대체하도록 한다. 바깥쪽에 위치한 제1 엔드 플레이트(240a)에 T자 구조처럼 플랜지(242)를 적용함으로써, 탑 커버(140) 외주를 그에 맞춰 트레이(110) 쪽으로 아래로 내릴 수 있다. 즉, 체결 연장부(142)가 트레이(110) 쪽으로 내려갈 수 있다. 그 위치에 체결부재(P1) 체결을 할 수 있다. 이러한 구조에 의해 와이어 하네스(160)를 배터리 모듈(200)들 바깥쪽으로 양분하여 위치시키는 것이 가능해진다.
엔드 플레이트(240)는 기존의 팩 케이스를 대신하여 배터리 모듈(200)들에 대한 기계적 지지력을 제공하고, 배터리 모듈(200)들을 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 특히, 엔드 플레이트(240)는 배터리 셀 적층체(214)의 전후방에서 가해지는 충격으로부터 배터리 셀(212)을 보호할 수 있는 것이다. 트레이(110)와 탑 커버(140)는 커버로서 기밀 기능을 유지하는 정도이면 된다.
기존에는 강성을 팩 케이스에서만 제공하여 내부의 배터리 모듈을 보호하는 개념이었지만, 본 발명에서는 배터리 모듈(200) 자체에 엔드 플레이트(240)를 통한 강성을 부여한다. 배터리 모듈(200)의 엔드 플레이트(240)가 배터리 팩(A)의 각 방향 강성 구조를 이룬다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(200) 자체가 배터리 팩(A) 강성의 일부 구조를 이루며, 배터리 팩(A) 구조물로서 역할을 수행할 수 있다. 팩 케이스(100)는 커버로서 기밀 기능을 유지할 수 있는 정도이면 된다. 그러므로 부품/구조 제작이 간소화될 수 있다. 본 발명에 따르면, 강성의 통합으로 인해 배터리 팩과 배터리 모듈의 강성/공간 통합이 이루어지므로 기존에 팩 케이스와 배터리 모듈간에 필요하던 간격, 크래쉬 빔과 같은 구조물을 생략한 결과, 용적률 극대화 효과가 발생된다.
도 8은 종래 배터리 팩(1)과 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(A)을 비교한 도면이다.
씰링부재(50, 150) 위치 비교시, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(A)의 씰링부재(150) 위치가 종래 배터리 팩(1)보다 더 바깥쪽 아래에 위치할 수 있다. 종래에는 와이어 하네스(60)가 배터리 모듈(20)들 사이에 통합 위치하였으나, 본 발명에서는 와이어 하네스(160)가 양분되어 배터리 모듈(200)들 바깥쪽으로 위치한다.
씰링부재(50) 위치가 종래에는 팩 케이스의 측벽(12a) 상단이었다. 씰링부재(50)가 기밀성을 가지려면 부재 자체가 어느 정도 면적을 차지해야 하기 때문에 종래에는 이것을 지지하는 측벽(12a) 크기를 줄이기 힘들다. 본 발명에서는 엔드 플레이트(240)의 플랜지(242) 적용에 따라, 씰링부재(150) 위치를 종래보다 아래로 이동시킬 수 있다. 이로써 탑 커버(140)와 측벽(112a)의 사이에 새로운 빈 공간이 생긴다. 기존에는 크래쉬 빔(30) 사이에 (통합) 와이어 하네스(60)를 두어 가운데 빈 공간이 많이 필요했다. 본 발명에서는 와이어 하네스(160)를 두 개로 나누어 각각을 바깥쪽으로 배치해 탑 커버(140)와 측벽(112a)의 사이에 생긴 새로운 빈 공간에 배치할 수 있다. 그리하여 배터리 팩(A) 내부 센터의 빈 공간을 줄일 수 있다. 배터리 팩(1, A) 크기가 서로 동일하다면 배터리 모듈(200) 크기를 배터리 모듈(20)에 비해 더 늘릴 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명에서는 배터리 모듈(200)의 엔드 플레이트(240a, 240b)가 기존 배터리 팩(1)의 크래쉬 빔(30)을 대체하도록 하여, 배터리 팩(1)의 센터에 놓여있던 크래쉬 빔(30) 제거에 따른 공간도 활용할 수 있게 된다. 그러므로, 도 8에 도시한 바와 같이, 종래 배터리 모듈(20)의 길이가 L1이라면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(200)의 길이는 L2가 되어, L1과 L2 비교시 배터리 모듈(200) 공간이 획기적으로 증가될 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(200)들의 위치 고정 및 탑재를 엔드 플레이트(240)와 체결부재(P2, P3)를 이용해 트레이(110)에 대해 용이하게 할 수 있고, 아울러 엔드 플레이트(240)를 통해 배터리 모듈(200) 자체의 기계적 강성을 증대시킬 수 있다. 그리고, 팩 케이스(100) 안의 와이어 하네스(160)를 두는 공간을 종래보다 효율적으로 처리할 수 있다. 이에 따라 배터리 팩(A) 안에 배터리 모듈(200)들을 공간 효율적으로 탑재할 수 있고 공간 활용성을 향상시킬 수 있다. 배터리 모듈(200) 길이(L2)가 종래에 비해 증가되는 등, 배터리 모듈(200)이 차지하는 공간을 늘릴 수 있기 때문에 배터리 팩(A)의 용적률을 증가시킬 수 있다.
이제 도 9 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기로 한다. 도면들 및 설명에서, 앞의 실시예에서와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 배터리 팩의 상면도이다.
도 9를 참조하면, 배터리 팩(B)은 도 4에 비해 열의 개수가 2개 증가한, 2 x 6 행렬로 배치된 배터리 모듈(200')들을 포함한다. 배터리 모듈(200')들은 트레이(110) 위에 배치되어 있다. 트레이(110) 외주에는 씰링부재(150)가 놓여 있다. 씰링부재(150)는 예컨대 가스켓이다.
도 10은 도 9의 배터리 팩에 포함되는 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 배터리 모듈(200')은 배터리 모듈(200)에서와 마찬가지로 배터리 셀(212), 버스바 프레임(220), 절연커버(224) 및 사이드 플레이트(226)를 포함한다.
도 11은 도 10의 배터리 모듈(200')을 두 개 집적한 이른바 라지 모듈(250)을 도시한다. 라지 모듈(250)은 배터리 모듈(200') 두 개를 Y 방향으로 나란히 배치한 것이다. 두 개의 배터리 모듈(200') 사이에는 빈 공간을 포함하는 센터 플레이트(230)가 포함되어 있을 수 있다. 센터 플레이트(230)는 두 배터리 모듈(200') 사이를 일정하게 이격시키면서 둘 사이를 결합시키는 역할을 할 수 있다. 센터 플레이트(230)는 빈 공간을 포함하며 이 공간이 축소되면서 셀 스웰링을 흡수하는 역할도 할 수 있다.
종래 배터리 팩(1)에서는 배터리 모듈(20)이 1개씩의 단위로 여러 개가 배치되는 경우이지만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(B)에서는 배터리 모듈(200') 두 개가 센터 플레이트(230)에 의해 결합되어 구성된 하나의 라지 모듈(250)이 기본 단위가 된다. 그러므로 종래보다 2배의 배터리 셀 개수가 어레이의 기본 단위가 될 수 있다. 예를 들어 배터리 모듈(20, 200') 하나에 포함되는 배터리 셀의 개수가 24개라면, 라지 모듈(250)은 48개의 배터리 셀을 포함하고 있다.
도 12는 도 11의 라지 모듈(250)을 집적한 이른바 서브 팩(260)을 설명하기 위한 도면이다.
서브 팩(260)은 라지 모듈(250)을 일 방향으로, 본 실시예에서는 Y 방향으로, 두 개 이상 배열해 마련할 수 있다. 본 실시예에서는 2 x 6 배열을 완성하기 위하여, 라지 모듈(250)을 세 개 배열한 예를 들고 있다. 즉, 서브 팩(260)은 어레이의 기본 단위인 라지 모듈(250)을 확장한 것으로, 서브 팩(260)은 여섯 개의 배터리 모듈(200')을 통합한 것이 된다. 서브 팩(260)에서, 인접한 라지 모듈(250) 사이에는 빈 공간(g)이 형성되어 있다(도 9 참고). 따라서, 외부에서 배터리 팩(B)에 충격이 가해지더라도 그 충격은 라지 모듈(250)들 사이를 가로질러서는 거의 전달이 되지 않아 배터리 모듈(200') 내부에는 데미지가 가해지지 않게 된다. 또한, 이러한 빈 공간(g)으로 인해, 하나의 라지 모듈(250) 안에서 발화 등의 이벤트가 발생하여도 다른 라지 모듈(250) 쪽으로 옮겨 가는 것 또한 방지할 수 있기 때문에 배터리 팩(B) 사용상의 안전성 또한 확보할 수 있게 된다.
Y 방향을 따라 배열된 라지 모듈(250)들에서 Y 방향을 따른 양 측면에는 한 쌍의 엔드 플레이트(240)가 결합되어 있다. 앞의 예에서 다수의 배터리 모듈(200)이 한 쌍의 엔드 플레이트(240)를 공유하는 경우가 가능하다고 설명한 바 있는데, 바로 이 예에 해당한다. 한 쌍의 엔드 플레이트(240)는 각 배터리 모듈(200')의 절연커버(224) 외측으로 공유되어 있다. 그리고 여기서는 강성 보강을 위해, 한 쌍의 엔드 플레이트(240) 중 적어도 어느 하나에 팩 사이드 빔(270)이 더 결합될 수 있는 예도 제시하고 있다. 특히, 배터리 팩(B)의 바깥쪽을 향해 놓이게 되는 팩 사이드 빔(270)은 앞의 실시예에서 언급한 바와 같은 트레이(110)에서의 측벽(112a)이 될 수도 있다. 팩 사이드 빔(270)과 측벽(112a)이 공존하거나 팩 사이드 빔(270)과 측벽(112a)이 형합하여 구성되는 경우도 물론 가능하다.
엔드 플레이트(240) 및 팩 사이드 빔(270)은 예를 들어 볼트(280) 체결을 통해, 다수의 라지 모듈(250)이 한꺼번에 체결되도록 한다. 엔드 플레이트(240)가 강성의 재질이므로 서브 팩(260)은 기본적으로 배터리 팩으로 보아도 될 만큼의 강성을 가진 단위 구조가 되고, 취급이 용이해지는 바, 배터리 팩(B) 조립이 수월해진다.
종래에는 배터리 모듈을 트레이에 탑재할 때나 교환할 때, 팩 케이스 및 크래쉬 빔에 대하여 각 배터리 모듈을 전후좌우 방향으로 위치 맞춤하면서 작업을 하지 않으면 안되어 작업성이 나쁘다. 하지만 본 발명에 따를 경우, 서브 팩(260) 단위로 취급이 용이하므로 작업성이 우수하다.
본 실시예에서는 2 x 6 배열을 완성하기 위하여, 서브 팩(260) 두 개가 X 방향, 그러니까 배터리 셀의 길이 방향을 따라 나란히 놓이게 된다. 당업자는 2 x 6 배열 이외의 배열을 만족하기 위하여 서브 팩의 개수, 서브 팩 안에 들어가는 라지 모듈의 개수를 변경할 수 있을 것이다. 이와 같이 본 발명에서는 배터리 모듈(200') 두 개로 된 라지 모듈을 어레이의 일 단위로 취급하여 일 단위의 확장을 통해 다양한 어레이를 구사함으로써 다양한 용량의 배터리 팩을 자유롭게 구현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 특히 서브 팩(260) 안에서의 배터리 모듈(200')간 연결을 엔드 플레이트(240)로 함으로써 배터리 팩(B)에서 필요한 강성 구조가 서브 팩(260) 단위에서 완성된다. 앞선 실시예와 마찬가지로 배터리 팩(B)은 커버로서 기밀 기능을 유지할 수 있는 정도의 팩 케이스(100)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 그러므로 부품/구조, 특히 팩 케이스(100)의 부품/구조 제작이 간소화될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 종래 배터리 팩(1)에서는 배터리 모듈(20)간 간격, 그리고 배터리 모듈(20)과 팩 케이스(10)간 간격 확보로 인한 공간 손실이 발생하는 한계가 있었다. 본 발명에서는 이러한 간격 확보가 필요하지 않다. 라지 모듈(250)이 48개의 배터리 셀을 포함하는 경우, 배터리 모듈(20)이 24개의 배터리 셀을 포함하는 종래 배터리 팩(1)과 비교하여 용적율을 9% 증가시킨 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 배터리 팩의 강성 및 용적률을 증가시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 자동차(C)는, 앞선 실시예의 배터리 팩(A)이나 배터리 팩(B)을 포함할 수 있다. 도시한 예에서는 배터리 팩(A)을 포함하고 있다. 이러한 자동차(C)는, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차, 기타 배터리 팩(A)을 연료원으로 구비하는 자동차일 수 있다.
본 실시예에 따른 자동차(C)는, 앞선 실시예의 배터리 팩(A)을 포함하기에, 앞선 실시예의 배터리 팩(A)의 장점을 모두 포함한다. 배터리 팩(A)은 상기 자동차(C) 이외에도 상기 배터리 팩(A)을 에너지원으로 하는 전력 저장 장치나 기타 다른 장치나 기구 등에도 구비될 수도 있음은 물론이다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 에너지 밀도를 높일 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 전, 후, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (17)

  1. 하나 이상의 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈을 내장하기 위한 팩 케이스를 포함하며,
    상기 배터리 모듈은,
    하나 이상의 배터리 셀이 포함된 배터리 셀 적층체; 및
    상기 배터리 셀의 길이 방향 양측으로 상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 밀착 구비되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 팩 케이스는,
    상기 배터리 모듈이 상면에 장착되는 트레이; 및
    상기 배터리 모듈을 내장한 상태로 상기 트레이의 상면에서 외주가 트레이의 외주와 대면 결합하는 탑 커버;를 포함하여,
    상기 엔드 플레이트가 상기 배터리 셀을 보호하는 기계적 지지력을 제공하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈은,
    상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 조립되는 버스바 프레임;
    상기 버스바 프레임의 외측으로 결합된 절연커버; 및
    상기 배터리 셀 적층체의 최외층 배터리 셀에 결합된 사이드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 엔드 플레이트는 상기 절연커버의 외측으로 덧대이는 판형 구조물인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 대면 결합하는 트레이의 외주와 탑 커버의 외주 사이에 개재되는 씰링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탑 커버의 외주에는 상기 트레이에 대한 체결을 위해 상기 배터리 팩의 바깥쪽 방향으로 절곡 연장된 체결 연장부가 형성되어 있고, 상기 체결 연장부에는 체결부재가 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서, 상기 체결 연장부에 대응하여, 상기 트레이 외주에는 상기 배터리 모듈의 장착 부위로부터 상향 절곡된 단차부가 형성되어 있고, 상기 단차부 위에 위치한 측벽에서 상기 체결부재에 의해 상기 체결 연장부와 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나에는 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 플랜지는 상기 탑 커버의 체결 연장부와 상기 트레이의 단차부 사이의 높이에 위치하도록 해 상기 측벽에 놓이며, 상기 플랜지에는 체결부재가 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 다른 하나의 하부에는 체결좌가 형성되어 있으며, 상기 트레이에 설치한 브라켓에 상기 체결좌를 통해 체결부재가 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서, 상기 탑 커버와 측벽 사이의 공간에 와이어 하네스가 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트는 다수의 배터리 모듈을 통합 연결하도록 상기 다수의 배터리 모듈간에 공유 구조로 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서, 상기 배터리 모듈은 XY 평면에서 X 방향(상기 배터리 셀의 길이 방향) x Y 방향으로 2 x n (n은 1 이상) 행렬 배치되며, X 방향을 따라 나란히 놓인 배터리 모듈들은 서로의 단자들이 마주보는 형태가 되게끔 배치되어 있으며, 상기 Y 방향을 따라 놓이는 배터리 모듈간에 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 공유하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 상기 배터리 팩의 바깥쪽을 향하여 놓이는 엔드 플레이트에는 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 플랜지는 상기 탑 커버의 체결 연장부와 상기 트레이의 단차부 사이의 높이에 위치하도록 해 상기 측벽에 놓이며, 상기 플랜지에는 체결부재가 삽입되고,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 상기 배터리 팩 안쪽을 향하여 놓이는 엔드 플레이트 하부에는 체결좌가 형성되어 있으며, 상기 트레이에 설치한 브라켓에 상기 체결좌를 통해 체결부재가 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈은,
    상기 배터리 셀 적층체의 전후방에 조립되는 버스바 프레임;
    상기 버스바 프레임의 외측으로 결합된 절연커버; 및
    상기 배터리 셀 적층체의 최외층 배터리 셀에 결합된 사이드 플레이트를 더 포함하고,
    상기 배터리 모듈 두 개가 센터 플레이트에 의해 결합되어 하나의 라지 모듈을 구성하며, 이러한 라지 모듈 하나 이상이 상기 배터리 팩 안에 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서, 상기 라지 모듈을 두 개 이상 일 방향으로 배열하고, 상기 절연커버의 외측으로 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 공유시켜 서브 팩을 구성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서, 상기 서브 팩을 상기 배터리 셀의 길이 방향을 따라 두개 배열한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제13항에 있어서, 상기 서브 팩 안에서 서로 인접한 라지 모듈 사이에는 빈 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제13항에 있어서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 중 적어도 어느 하나 외측으로는 팩 사이드 빔이 더 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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