WO2021137401A1 - 개선된 결합 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

개선된 결합 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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battery pack
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이정훈
윤두한
양재훈
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack having an improved coupling structure and an automobile including the same, and more particularly, by fastening a module stack and a pack housing with bolts at once to increase connection reliability and reduce cost, as well as , to a battery pack having a structure capable of maintaining a state in which the pack housing presses a battery module, and thus having improved stability when vibration occurs in the battery pack, and a vehicle including the same.
  • Secondary batteries that are easy to apply according to product groups and have electrical characteristics such as high energy density are not only portable devices, but also electric vehicles (EVs) or hybrid vehicles (HEVs) driven by an electric drive source. It is universally applied. These secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels but also the fact that no by-products are generated from the use of energy.
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid vehicles
  • the types of secondary batteries currently widely used include a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, and the like.
  • the operating voltage of the unit secondary battery cell is about 2.5V to 4.5V. Accordingly, when a higher output voltage is required, a plurality of battery cells are connected in series to form a battery pack. In addition, a plurality of battery cells may be connected in parallel to form a battery pack 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.
  • a battery module including a plurality of battery cells is first configured, and a module stack formed by stacking a plurality of these battery modules is accommodated in the pack housing. It is common to configure the battery pack by
  • the present invention was devised in consideration of the above-described problems, so that fastening between a plurality of battery modules and a module stack formed by stacking a plurality of battery modules and a pack housing are made as simple as possible, and structural stability is also improved. Its purpose is to improve.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problems, a module stack in which a plurality of battery modules are stacked; a pack housing including a lower housing supporting the module stack from a lower portion and an upper housing coupled to the lower housing from an upper portion of the module stack; and a plurality of displacement plates coupled inside each of the lower housing and the upper housing to elastically press the module stack.
  • the displacement plate may include a pair of pressure plates facing the inner surface of the side wall of the pack housing; and a connection plate connecting the pair of pressure plates and facing the bottom surface of the pack housing; may include.
  • the pressure plate may include: a support part that is in contact with an inner surface of a side wall of the pack housing and is disposed parallel to the inner surface; an inclined portion extending from one end of the support portion toward the inside of the pack housing; and an elastic pressing part extending parallel to the support part from one end of the inclined part in a direction away from the support part, and pressing the module stack by an elastic restoring force.
  • the connecting plate may connect between a pair of the elastic pressing part.
  • Each of the lower housing and the upper housing may include a support bead protruding from the inner surfaces of the lower housing and the upper housing and facing the inner surface of the elastic pressing unit in a spaced apart state.
  • a bent portion between the inclined portion and the elastic pressing portion may have a rounded shape.
  • the battery pack may include a plurality of fastening bolts passing through the pack housing and the module stack; and a plurality of weld nuts fixed to a lower surface of the lower housing and coupled to the fastening bolts. may further include.
  • the battery pack may further include an airtight plate assembly attached to a lower surface of the lower housing and providing an accommodation space for the weld nut.
  • the airtight plate assembly may include: a gasket covering the weld nut; and an airtight plate that presses the gasket and is attached to a lower surface of the lower housing. may include.
  • the airtight plate may have a double step structure having an accommodation space in which the gasket can be accommodated and a space in which the weld nut can be accommodated.
  • An attachment groove to which the airtight plate assembly may be attached may be formed on a lower surface of the lower housing.
  • the depth of the attachment groove may be equal to or deeper than the height of the step of the airtight plate.
  • a sealing member may be coated on the head portion of the fastening bolt.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention includes the battery pack according to an embodiment of the present invention as described above.
  • fastening between a plurality of battery modules and fastening between a module stack formed by stacking a plurality of battery modules and a pack housing can be made as simply as possible, and when vibration/shock is applied, the battery The structural stability of the pack may be improved.
  • FIG. 1 is a complete perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the battery pack shown in FIG. 1 .
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a lower housing constituting a pack housing applied to the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the upper housing constituting the pack housing applied to the present invention.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view showing a cross-section taken along line X-X of FIG. 1 .
  • FIG. 6 is a view showing a lower surface of a lower housing applied to a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the internal structure of area A of FIG. 6 .
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the lower housing shown in FIG. 6 .
  • FIG. 9 is a view showing a cross-section taken along the Y-Y line of FIG. 1 .
  • FIG. 10 is a partially enlarged view illustrating area B of FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a view showing a fastening bolt applied to the present invention.
  • a battery pack 1 according to an embodiment of the present invention includes a module stack M, a pack housing 200 , a plurality of fastening bolts 300 , and a plurality of displacement plates 400 . ) is included.
  • each battery module 100 may include a plurality of battery cells electrically connected to each other, and also charge/discharge each group by grouping the plurality of battery cells. It may further include a plurality of BMS for managing the.
  • the pack housing 200 covers the lower housing 210 supporting the lower portion of the module stack M and the upper portion of the module stack M and is attached to the lower housing 210 . It includes an upper housing 220 that is coupled.
  • the plurality of fastening bolts 300 have the shape of a long bolt, and include an upper housing 220, a module stack body M, and a lower housing 210. to pass through in turn so that the module stack (M) can be fixed to the pack housing (200).
  • the fastening bolt 300 may serve to fasten the plurality of battery modules 100 to each other.
  • the displacement plate 400 is coupled to the inner side of the lower housing 210 and the upper housing 220 .
  • the displacement plate 400 may minimize the flow in the pack housing 200 by elastically pressing the module stack M when the module stack M is inserted into the pack housing 200 .
  • the displacement plate 400 is disposed in the longitudinal direction of the battery pack 1 (a direction parallel to the X-axis in FIGS. 1 and 2 ) in order to stably fix the module stack (M). ) may be provided in plurality.
  • displacement plate 400 A more specific structure and function of the displacement plate 400 will be described in detail below with reference to FIG. 5 along with FIGS. 1 to 4 .
  • the displacement plate 400 connects between a pair of pressure plates 410 and a pair of pressure plates 410 facing the inner surface of the side wall of the pack housing 200 . and a connection plate 420 facing the bottom surface of the pack housing 200 .
  • the pair of pressure plates 410 press the module stack M in contact with both sides of the module stack M, and the connection plate 420 is welded to the bottom surface of the pack housing 200 and / Or it is fixed by bolting or the like to limit the movement of the module stack (M).
  • the bottom surface of the pack housing 200 means a surface parallel to the XY plane of FIGS. 1 and 2 , and faces the lower surface of the module stack M among the inner surfaces of the lower housing 210 . and a surface facing the upper surface of the module stack M among the inner surfaces of the upper housing 220 .
  • the pressing plate 410 includes a support part 411 , an inclined part 412 , and an elastic pressing part 413 integrally connected to each other.
  • the support part 411 is in contact with the inner surface of the side wall of the pack housing 200 and is disposed side by side with the inner surface.
  • the inclined portion 412 is bent and extended from one end of the support portion 411 toward the inside of the pack housing 200 .
  • the elastic pressing part 413 extends from one end of the inclined part 412 in a direction away from the support part 411 in parallel with the support part 411, and presses the module stack M by an elastic restoring force.
  • the width between the pair of pressing elastic portions 413 facing each other is the width of the module stack M (the Y-axis direction in FIGS. 1 and 2). It is preferable to be formed equal to or slightly smaller than the length extending along the direction parallel to). In addition, in consideration of the ease of insertion of the module stack (M), the width between the pair of support parts 411 facing each other is preferably formed to be slightly larger than the width of the module stack (M).
  • a bent portion between the inclined portion 412 and the elastic pressing portion 413 may have a rounded shape. In this case, it is possible to minimize the risk of damage to the module stack M due to the contact between the module stack M and the pressure plate 410 when the module stack M is inserted, and a more smooth insertion is possible. it becomes possible
  • the pack housing 200 may include a plurality of support beads 211 and 221 protruding from the inner surface of the side surface.
  • the lower housing 210 includes a plurality of first support beads 211 protruding from the inner surface thereof and facing the inner surface of the elastic pressing part 413 in a spaced apart state.
  • the upper housing 220 includes a plurality of second support beads 221 protruding from the inner surface and facing the inner surface of the elastic pressing part 413 in a spaced apart state.
  • the support beads 211 and 221 are for preventing excessive deformation of the elastic pressing part 413 .
  • the elastic pressing part 413 of the displacement plate 400 causes bending deformation and acts as a buffer. It is possible to alleviate the impact applied to the module stack (M).
  • the distance d between the support beads 211 and 221 and the elastic pressing part 413 after the module stack M is inserted is the weight, size, and expected maximum value of vibration to be applied to the applied application of the battery pack 1 It can be determined by considering That is, in consideration of these factors, the height of the support beads 211 and 221 and/or the bending angle of the inclined portion 412 may be determined.
  • the battery pack 1 may further include a weld nut 500 and an airtight plate assembly 600 in addition to the components described above, and also a fastening bolt ( It may further include a sealing member (S) coated on the 300).
  • the weld nut 500 is attached to the bottom surface of the lower housing 210 (see FIGS. 2 and 3 ) by welding.
  • the weld nut 500 is attached to a position corresponding to the through hole formed in the bottom surface of the lower housing 210 so as to be coupled to the fastening bolt 300 .
  • the weld nut 500 is located inside the gasket 610 and the airtight plate 620 attached to the lower housing 210 .
  • the weld nut 500 is positioned inside the gasket 610 and the airtight plate 620 like this, so that external foreign substances or moisture from the through hole formed in the lower housing 210 penetrate into the pack housing 200 This is to prevent shortening of the lifespan of the battery pack 1 or causing deterioration in performance.
  • the airtight plate assembly 600 is inserted into the attachment groove 210a formed on the lower surface of the lower housing 210 and is fixed to the inner bottom surface of the attachment groove 210a by welding or the like.
  • the hermetic plate assembly 600 includes a gasket 610 and an hermetic plate 620 .
  • the gasket 610 surrounds the periphery of the weld nut 500 attached to the lower surface of the lower housing 210 by welding, and is interposed between the weld nut 500 and the airtight plate 620 and includes the weld nut 500 and It prevents foreign substances and/or moisture from penetrating into the gap between the bottom surfaces of the lower housing 210 .
  • the airtight plate 620 is fixed to the bottom surface of the lower housing 210 by welding or the like while covering the gasket 610 and the weld nut 500 within the attachment groove 210a to primarily remove foreign substances and/or moisture. prevent penetration.
  • the airtight plate 620 presses the gasket 610 and is attached to the lower surface of the lower housing 210 .
  • the airtight plate 620 may have a double step structure having a space in which the gasket 610 can be accommodated and a space in which the weld nut 500 can be accommodated.
  • the depth of the attachment groove 210a is preferably formed to be the same or deeper. This is to prevent loss of energy density due to the formation of the airtight plate 620 .
  • the fastening bolt 300 prevents the penetration of foreign substances and/or moisture through the through hole formed in the upper portion of the pack housing 200 , that is, the through hole formed in the upper portion of the upper housing 220 .
  • a sealing member (S) coated on the surface of the head part may be provided.
  • the sealing member (S) it is preferable to use a material having elasticity, for example, a urethane material may be used.
  • the battery pack 1 according to an embodiment of the present invention when the battery pack 1 according to an embodiment of the present invention is subjected to vibration and/or impact to the battery pack 1 due to the displacement plate 400 installed in the pack housing 200 , In the module stack (M) can be held so that it is well fixed without impact inside the pack housing (200). Accordingly, the battery pack 1 according to an embodiment of the present invention may have a robustness that is not easily damaged or defective even in case of vibration and/or impact.
  • the battery pack 1 penetrates the weld nut 500 fixed in advance to the outside of the pack housing 200 , and the pack housing 200 and the module stack M at once.
  • the fastening bolt 300 fastened to the weld nut 500 to have a structure that can fasten each component constituting the module stack M and the pack housing 200 at once, improving fastening reliability and reduction in manufacturing cost.
  • the battery pack 1 according to an embodiment of the present invention has a structure capable of preventing the penetration of foreign substances and/or moisture through the hole formed on the outside of the pack housing 200 , It can reduce the concern of performance degradation in the process of use.
  • a vehicle according to an embodiment of the present invention includes the battery pack according to an embodiment of the present invention, as described above.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 모듈이 적층된 모듈 적층체; 상기 모듈 적층체를 하부에서 지지하는 로워 하우징 및 상기 모듈 적층체의 상부로부터 상기 로워 하우징에 결합되는 어퍼 하우징을 포함하는 팩 하우징; 및 상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징 각각의 내측에 결합되어 상기 모듈 적층체를 탄성 가압하는 복수의 변위 플레이트; 를 포함한다.

Description

개선된 결합 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 발명은 개선된 결합 구조를 갖는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는, 모듈 적층체와 팩 하우징을 볼트로 한꺼번에 체결하여 연결 신뢰성을 높이고 코스트를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 팩 하우징이 배터리 모듈을 가압하는 상태를 유지할 수 있는 구조를 가짐으로써 배터리 팩에 진동 발생 시에 향상된 안정성을 가질 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 1월 3일 자로 출원된 한국 특허출원번호 제 10-2020-0000995호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 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.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 배터리 모듈이 복수개 적층되어 형성된 모듈 적층체를 팩 하우징 내에 수용시켜 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
따라서, 복수의 배터리 모듈 간의 체결, 그리고 모듈 적층체와 팩 하우징 간의 체결이 최대한 간소하게 이루어질 수 있는 구조를 갖는 배터리 팩의 개발을 통해 부품 비용 절감 및 구조적 신뢰성을 향상시킬 필요가 있다. 또한, 배터리 팩에 진동이 발생되는 경우에 있어서, 구조적으로 안정성이 향상된 배터리 팩의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 복수의 배터리 모듈 간의 체결 및 복수의 배터리 모듈이 적층되어 형성된 모듈 적층에와 팩 하우징 간의 체결이 최대한 간소하게 이루어지도록 하며, 또한 구조적으로 안정성을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 모듈이 적층된 모듈 적층체; 상기 모듈 적층체를 하부에서 지지하는 로워 하우징 및 상기 모듈 적층체의 상부로부터 상기 로워 하우징에 결합되는 어퍼 하우징을 포함하는 팩 하우징; 및 상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징 각각의 내측에 결합되어 상기 모듈 적층체를 탄성 가압하는 복수의 변위 플레이트; 를 포함한다.
상기 변위 플레이트는, 상기 팩 하우징의 측벽의 내측면과 대면하는 한 쌍의 가압 플레이트; 및 상기 한 쌍의 가압 플레이트 사이를 연결하며, 상기 팩 하우징의 바닥면과 대면하는 연결 플레이트; 를 포함할 수 있다.
상기 가압 플레이트는, 상기 팩 하우징의 측벽의 내측면과 접하며 상기 내측면과 나란히 배치되는 지지부; 상기 지지부의 일 측 단부로부터 상기 팩 하우징의 내측을 향해 절곡되어 연장되는 경사부; 및 상기 경사부의 일 측 단부로부터 상기 지지부와 멀어지는 방향을 따라 상기 지지부와 나란히 연장되며, 탄성 복원력에 의해 상기 모듈 적층체를 가압하는 탄성 가압부; 를 포함하며, 상기 연결 플레이트는, 한 쌍의 상기 탄성 가압부 사이를 연결할 수 있다.
상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징 각각은, 상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징의 내측면으로부터 돌출되어 상기 탄성 가압부의 내측면과 이격된 상태로 대면하는 서포트 비드를 구비할 수 있다.
상기 경사부와 탄성 가압부 사이의 절곡 부위는 라운드진 형태를 가질 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 팩 하우징 및 모듈 적층체를 관통하는 복수의 체결 볼트; 및 상기 로워 하우징의 하면에 고정되며 상기 체결 볼트와 결합되는 복수의 웰드 너트; 를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 로워 하우징의 하면에 부착되며, 상기 웰드 너트의 수용 공간을 제공하는 기밀 플레이트 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
상기 기밀 플레이트 어셈블리는, 상기 웰드 너트를 커버하는 가스켓; 및 상기 가스켓을 가압하며 상기 로워 하우징의 하면에 부착되는 기밀 플레이트; 를 포함할 수 있다.
상기 기밀 플레이트는, 상기 가스켓이 수용될 수 있는 수용 공간 및 상기 웰드 너트가 수용될 수 있는 공간을 갖는 이중 단차 구조를 가질 수 있다.
상기 로워 하우징의 하면에는, 상기 기밀 플레이트 어셈블리가 부착될 수 있는 부착 홈이 형성될 수 있다.
상기 부착 홈의 깊이는, 상기 기밀 플레이트가 갖는 단차의 높이와 동일하거나 더 깊게 형성될 수 있다.
상기 체결 볼트의 헤드부에는 실링 부재가 코팅될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 배터리 모듈 간의 체결 및 복수의 배터리 모듈이 적층되어 형성된 모듈 적층체와 팩 하우징 간의 체결이 최대한 간소하게 이루어질 수 있고, 또한 진동/충격이 가해지는 경우에 있어서 배터리 팩의 구조적 안정성이 향상될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 완성 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 팩 하우징을 구성하는 로워 하우징의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 팩 하우징을 구성하는 어퍼 하우징의 분해 사시도이다.
도 5는 도 1의 X-X 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 적용되는 로워 하우징의 하면을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 A 영역의 내부 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 로워 하우징의 분해 사시도이다.
도 9는 도 1의 Y-Y 선을 따라 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 B 영역을 나타내는 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명에 적용되는 체결 볼트를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 개략적인 구조를 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 모듈 적층체(M), 팩 하우징(200), 복수의 체결 볼트(300) 및 복수의 변위 플레이트(400)를 포함한다.
상기 모듈 적층체(M)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 배터리 모듈(100)이 적층된 형태를 갖는다. 도면에서 구체적으로 도시하고 있지는 않으나, 각각의 배터리 모듈(100)은, 서로 전기적으로 연결된 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있으며, 또한 복수의 배터리 셀들을 그룹핑(grouping) 하여 각각의 그룹에 대한 충방전을 관리하는 복수의 BMS를 더 포함할 수도 있다.
상기 팩 하우징(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈 적층체(M)의 하부를 지지하는 로워 하우징(210) 및 모듈 적층체(M)의 상부를 커버하며 로워 하우징(210)에 결합되는 어퍼 하우징(220)을 포함한다.
상기 복수의 체결 볼트(300)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 롱 볼트(Long bolt)의 형태를 가지며, 어퍼 하우징(220), 모듈 적층체(M) 및 로워 하우징(210)을 차례로 관통하여 모듈 적층체(M)가 팩 하우징(200)에 고정될 수 있도록 한다. 또한, 상기 체결 볼트(300)는, 복수의 배터리 모듈(100) 상호 간을 체결시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 변위 플레이트(400)는, 로워 하우징(210) 및 어퍼 하우징(220)의 내측에 결합된다. 상기 변위 플레이트(400)는, 모듈 적층체(M)가 팩 하우징(200)의 내부에 삽입되었을 때 모듈 적층체(M)를 탄성 가압하여 팩 하우징(200) 내에서 유동되는 것을 최소화할 수 있다. 이러한 변위 플레이트(400)의 기능을 고려할 때, 변위 플레이트(400)는, 모듈 적층체(M)의 안정적인 고정을 위하여 배터리 팩(1)의 길이 방향(도 1 및 도 2의 X축과 나란한 방향)을 따라 복수개 구비될 수 있다.
상기 변위 플레이트(400)의 좀 더 구체적인 구조 및 기능에 대해서는 도 1 내지 도 4와 함께 도 5를 참조하여 이하 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 상기 변위 플레이트(400)는, 팩 하우징(200)의 측벽의 내측면과 대면하는 한 쌍의 가압 플레이트(410) 및 한 쌍의 가압 플레이트(410) 사이를 연결하며 팩 하우징(200)의 바닥면과 대면하는 연결 플레이트(420)를 포함한다. 상기 한 쌍의 가압 플레이트(410)는 모듈 적층체(M)의 양 측면에 각각 접하여 모듈 적층체(M)를 가압하며, 연결 플레이트(420)는 팩 하우징(200)의 바닥면에 용접 및/또는 볼팅 등에 의해 고정되어 모듈 적층체(M)의 움직임을 제한한다.
여기서, 상기 팩 하우징(200)의 바닥면이라 함은, 도 1 및 도 2의 X-Y 평면과 나란한 면을 의미하는 것으로서, 로워 하우징(210)의 내측면 중 모듈 적층체(M)의 하면과 대면하는 면, 그리고 어퍼 하우징(220)의 내측면 중 모듈 적층체(M)의 상면과 대면하는 면을 의미하는 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 가압 플레이트(410)는, 서로 일체로 연결된 지지부(411), 경사부(412) 및 탄성 가압부(413)를 포함한다. 상기 지지부(411)는 팩 하우징(200)의 측벽의 내측면과 접하며 내측면과 나란히 배치된다. 상기 경사부(412)는 지지부(411)의 일 측 단부로부터 팩 하우징(200)의 내측을 향해 절곡되어 연장된다. 상기 탄성 가압부(413)는 경사부(412)의 일 측 단부로부터 지지부(411)와 멀어지는 방향을 따라 지지부(411)와 나란히 연장되며, 탄성 복원력에 의해 모듈 적층체(M)를 가압한다.
상기 경사부(412)로 인해 탄성 가압부(413)와 팩 하우징(200)의 측벽의 내측면 사이에는 유격이 발생하게 되는데, 이러한 유격으로 인해 모듈 적층체(M)의 삽입 시에 탄성 가압부(413)의 휘어짐이 발생할 수 있다. 이러한 탄성 가압부(413)의 휘어짐은 탄성 복원력을 발생시키며, 이로써 모듈 적층체(M)의 양 측부에 위치하는 한 쌍의 탄성 가압부(413)가 모듈 적층체(M)를 배터리 팩(1)의 중심부를 향해 가압하게 된다.
이러한 탄성 가압부(413)의 탄성 가압 작용의 실현을 위해, 서로 마주보는 한 쌍의 탄성 가압부(413) 사이의 폭은 모듈 적층체(M)의 폭(도 1 및 도 2의 Y축 방향과 나란한 방향을 따라 연장된 길이)과 동일하거나 미세하게 더 작게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 모듈 적층체(M)의 삽입의 용이성을 고려하여, 서로 마주보는 한쌍의 지지부(411) 사이의 폭은 모듈 적층체(M)의 폭보다 좀 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경사부(412)와 탄성 가압부(413) 사이의 절곡 부위는 라운드진 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 모듈 적층체(M)의 삽입 시에 모듈 적층체(M)와 가압 플레이트(410) 사이의 접촉으로 인한 모듈 적층체(M)의 손상 우려를 최소화 할 수 있으며, 좀 더 원활한 삽입이 가능하게 된다.
한편, 상기 팩 하우징(200)은 측면의 내측면에 돌출 형성된 복수의 서포트 비드(211, 221)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 로워 하우징(210)은 그 내측면으로부터 돌출되어 탄성 가압부(413)의 내측면과 이격된 상태로 대면하는 복수의 제1 서포트 비드(211)를 구비한다. 마찬가지로, 상기 어퍼 하우징(220)은 그 내측면으로부터 돌출되어 탄성 가압부(413)의 내측면과 이격된 상태로 대면하는 복수의 제2 서포트 비드(221)를 구비한다.
상기 서포트 비드(211, 221)는, 탄성 가압부(413)의 과도한 변형 발생을 방지하기 위한 것이다. 자동차용 배터리 팩의 경우, 사용 과정에서 지속적인 진동 및 충격에 노출되기 마련인데, 이러한 진동 및 충격의 발생 시에 변위 플레이트(400)의 탄성 가압부(413)가 휨 변형을 일으키면서 완충 작용을 하여 모듈 적층체(M)에 가해지는 충격을 완화할 수 있는 것이다.
상기 모듈 적층체(M)의 삽입 후의 서포트 비드(211, 221)와 탄성 가압부(413) 사이의 거리(d)는 배터리 팩(1)의 중량, 크기, 적용되는 어플리케이션에 가해질 진동의 예상 최대치 등을 고려하여 결정될 수 있다. 즉, 이러한 요소들을 고려하여, 서포트 비드(211, 221)의 높이 및/또는 경사부(412)의 절곡 각도를 결정할 수 있다.
다음은, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)에 선택적으로 적용될 수 있는 기밀 구조에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 앞서 설명한 구성요소들 이 외에, 웰드 너트(weld nut)(500) 및 기밀 플레이트 어셈블리(600)를 더 포함할 수 있으며, 또한 체결 볼트(300)에 코팅되는 실링 부재(S)를 더 포함할 수 있다.
상기 웰드 너트(500)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 로워 하우징(210)(도 2 및 도 3 참조)의 바닥면에 용접에 의해 부착된다. 상기 웰드 너트(500)는, 체결 볼트(300)와 결합될 수 있도록 로워 하우징(210)의 바닥면에 형성된 관통 홀에 대응되는 위치에 부착된다. 또한, 상기 웰드 너트(500)는 로워 하우징(210)에 부착되는 가스켓(610) 및 기밀 플레이트(620)의 내측에 위치한다. 상기 웰드 너트(500)가 이처럼 가스켓(610)과 기밀 플레이트(620)의 내측에 위치하는 것은, 로워 하우징(210)에 형성된 관통 홀로 인한 외부 이물질이나 수분이 팩 하우징(200)의 내부로 침투하여 배터리 팩(1)의 수명 단축이나 성능 저하를 유발하는 것을 방지하기 위함이다.
상기 기밀 플레이트 어셈블리(600)는, 로워 하우징(210)의 하면에 형성된 부착 홈(210a) 내에 삽입되며, 용접 등에 의해 부착 홈(210a)의 내측 바닥 면에 고정된다. 상기 기밀 플레이트 어셈블리(600)는, 가스켓(610) 및 기밀 플레이트(620)를 포함한다. 상기 가스켓(610)은 로워 하우징(210)의 하면에 용접에 의해 부착된 웰드 너트(500)의 둘레를 감싸며, 웰드 너트(500)와 기밀 플레이트(620) 사이에 개재되어 웰드 너트(500)와 로워 하우징(210)의 바닥 면 사이의 틈새로 이물질 및/또는 수분이 침투하는 것을 방지한다. 상기 기밀 플레이트(620)는 부착 홈(210a) 내에서 가스켓(610) 및 웰드 너트(500)를 커버하면서 로워 하우징(210)의 바닥면에 용접 등에 의해 고정되어 1차적으로 이물질 및/또는 수분의 침투를 방지한다.
상기 기밀 플레이트(620)는 가스켓(610)을 가압하며 로워 하우징(210)의 하면에 부착된다. 또한, 상기 기밀 플레이트(620)는 가스켓(610)이 수용될 수 있는 공간 및 웰드 너트(500)가 수용될 수 있는 공간을 갖는 이중 단차 구조를 가질 수 있다. 다만, 이러한 이중 단차 구조에 따른 기밀 플레이트(620)의 높이와 비교하여 부착 홈(210a)의 깊이는 동일하거나 더 깊게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 기밀 플레이트(620)의 형성으로 인한 에너지 밀도 손실을 방지하기 위함이다.
한편, 도 11을 참조하면, 상기 체결 볼트(300)는, 팩 하우징(200)의 상부에 형성된 관통 홀, 즉 어퍼 하우징(220)의 상부에 형성된 관통 홀을 통한 이물질 및/또는 수분의 침투를 최소화 하기 위해서 헤드부의 표면에 코팅된 실링 부재(S)를 구비할 수 있다. 상기 실링 부재(S)로는 탄성을 갖는 소재가 이용되는 것이 바람직하며, 예를 들어 우레탄 재질이 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 팩 하우징(200) 내에 설치되는 변위 플레이트(400)로 인해 배터리 팩(1)에 진동 및/또는 충격이 가해지는 경우에 있어서 모듈 적층체(M)가 팩 하우징(200) 내부에서 충격 없이 잘 고정되도록 잡아줄 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 진동 및/또는 충격에도 쉽게 파손되거나 불량이 발생하지 않는 견고성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 팩 하우징(200)의 외측에 미리 고정된 웰드 너트(500), 그리고 팩 하우징(200)과 모듈 적층체(M)를 한꺼번에 관통하여 웰드 너트(500)에 체결되는 체결 볼트(300)를 이용하여 모듈 적층체(M)를 구성하는 각각의 구성요소들과 팩 하우징(200)을 한꺼번에 체결시킬 수 있는 구조를 가짐으로써 체결 신뢰성 향상 및 제조 비용의 절감 효과를 가져올 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은, 팩 하우징(200)의 외측에 형성되는 홀을 통한 외부 이물질 및/또는 수분의 침투를 방지할 수 있는 구조를 가짐으로써 배터리 팩의 사용 과정에서 성능 저하의 우려를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차는, 상술한 바와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 포함한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (13)

  1. 복수의 배터리 모듈이 적층된 모듈 적층체;
    상기 모듈 적층체를 하부에서 지지하는 로워 하우징 및 상기 모듈 적층체의 상부로부터 상기 로워 하우징에 결합되는 어퍼 하우징을 포함하는 팩 하우징; 및
    상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징 각각의 내측에 결합되어 상기 모듈 적층체를 탄성 가압하는 복수의 변위 플레이트;
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변위 플레이트는,
    상기 팩 하우징의 측벽의 내측면과 대면하는 한 쌍의 가압 플레이트; 및
    상기 한 쌍의 가압 플레이트 사이를 연결하며, 상기 팩 하우징의 바닥면과 대면하는 연결 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가압 플레이트는,
    상기 팩 하우징의 측벽의 내측면과 접하며 상기 내측면과 나란히 배치되는 지지부;
    상기 지지부의 일 측 단부로부터 상기 팩 하우징의 내측을 향해 절곡되어 연장되는 경사부; 및
    상기 경사부의 일 측 단부로부터 상기 지지부와 멀어지는 방향을 따라 상기 지지부와 나란히 연장되며, 탄성 복원력에 의해 상기 모듈 적층체를 가압하는 탄성 가압부;
    를 포함하며,
    상기 연결 플레이트는, 한 쌍의 상기 탄성 가압부 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징 각각은,
    상기 로워 하우징 및 어퍼 하우징의 내측면으로부터 돌출되어 상기 탄성 가압부의 내측면과 이격된 상태로 대면하는 서포트 비드를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 경사부와 탄성 가압부 사이의 절곡 부위는 라운드진 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 팩 하우징 및 모듈 적층체를 관통하는 복수의 체결 볼트; 및
    상기 로워 하우징의 하면에 고정되며 상기 체결 볼트와 결합되는 복수의 웰드 너트;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 로워 하우징의 하면에 부착되며, 상기 웰드 너트의 수용 공간을 제공하는 기밀 플레이트 어셈블리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기밀 플레이트 어셈블리는,
    상기 웰드 너트를 커버하는 가스켓; 및
    상기 가스켓을 가압하며 상기 로워 하우징의 하면에 부착되는 기밀 플레이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기밀 플레이트는,
    상기 가스켓이 수용될 수 있는 수용 공간 및 상기 웰드 너트가 수용될 수 있는 공간을 갖는 이중 단차 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 로워 하우징의 하면에는, 상기 기밀 플레이트 어셈블리가 부착될 수 있는 부착 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 부착 홈의 깊이는, 상기 기밀 플레이트가 갖는 단차의 높이와 동일하거나 더 깊게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 체결 볼트의 헤드부에는 실링 부재가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
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