WO2023239158A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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WO2023239158A1
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pack
battery pack
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정세윤
정종하
권우용
김인수
박진용
지호준
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, and more specifically, to a battery pack configured so that battery cells can be assembled directly into the pack case, omitting the assembly of conventional battery module units when assembling the battery pack.
  • Secondary batteries are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency, not only because they have the primary advantage of being able to dramatically reduce the use of fossil fuels, but also because they do not generate any by-products from energy use.
  • each secondary battery has an operating voltage of approximately 2.5V to 4.5V. Therefore, in the case of electric vehicles or power storage devices that require large capacity and high output, a battery module composed of connecting a plurality of secondary batteries in series and/or parallel and storing them in a module housing, and connecting the battery modules in series and/or parallel A battery pack is constructed and used as an energy source. That is, a conventional battery pack includes a battery module as its sub-concept, and the battery module includes battery cells as its sub-concept. Additionally, the number of battery cells in one battery module or the number of battery modules in one battery pack can be determined in various ways depending on the output or capacity of the battery pack required for the electric vehicle.
  • the battery modules 2 of the battery pack 1 for an electric vehicle include battery cells 3 and a bus bar frame (not shown) for electrically connecting the battery cells and the battery cells and the bus bar frame. It includes a module housing (4) that integrally accommodates the.
  • the battery modules may be placed in the internal space 5 of the pack tray and fixed to the bottom of the pack tray with bolts or the like.
  • the pack tray may be equipped with several beam frames 6 to increase durability against shock or vibration.
  • the beam frame extends from one wall of the pack tray and is coupled to the other wall, thereby suppressing distortion or deformation of the pack tray.
  • the pack tray may be divided into multiple internal spaces by the beam frames, and battery modules may be placed in each of the divided spaces.
  • the dead space corresponding to the gap between the battery module and the beam frame, the weight and volume occupied by the module housing, etc. are the energy density per unit volume of the battery pack. It has been pointed out that it is difficult to dramatically increase the energy capacity of the battery pack as it acts as a factor that reduces energy.
  • the travel distance of electric vehicles is becoming more important. The travel distance of an electric vehicle largely depends on the energy capacity of the battery pack. Therefore, it is still a big issue in the industry to come up with a way to increase the energy density per unit volume of the battery pack.
  • the so-called Cell To Pack type of battery pack which omits the module housing and mounts the battery cells directly on the pack tray, that is, skips the battery module manufacturing step and mounts the battery cells directly on the pack tray, has attracted attention. there is.
  • Cell-to-Pack does not use a module housing, battery cells must be mounted and fixed to the battery pack in a completely different way than before. Furthermore, it must be possible to restrain the battery cells so that they do not flow despite external shock or vibration and to regulate swelling of the battery cells during charging and discharging. Therefore, there is a need for a cell-to-pack type battery pack that can maintain the structural stability of battery cells during shock or vibration and also regulate the swelling phenomenon of battery cells.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a CTP type battery pack that can easily store battery cells in a pack case and secure structural stability even against vibration and impact by restraining the battery cells.
  • the purpose is to provide.
  • a plurality of cell units are stacked and arranged in one direction; and compression pads attached to one side or both sides of each cell unit; and with the cell units and the compression pads interposed.
  • a cell unit group including a pair of surface pressure providing walls that press them together; and a pack case accommodating at least one group of the cell units, wherein the surface pressure providing wall has a pin insertion portion at the bottom that is recessed upward from the bottom, and the pack case protrudes from the bottom plate at a predetermined position.
  • a battery pack may be provided including a guide pin portion that is inserted into the pin insertion portion and guides the surface pressure providing wall to the correct position.
  • the pack case includes a pack tray having the bottom plate and a plurality of beam frames disposed perpendicular to the bottom plate to form a wall, and the cell unit group is configured to store the pack in a state in which the compression pad is compressed. It is seated on a tray, one of the pair of surface pressure providing walls faces one of the two beam frames facing each other, and the other one of the pair of surface pressure providing walls faces the other of the two beam frames facing each other. It can be configured to face one.
  • the two beam frames facing each other may be configured to support the surface pressure providing walls facing each other, so that a reaction force against the restoring force of the compression pads acts on the surface pressure providing walls.
  • the guide pin portion may be provided at a position spaced apart from the beam frame by a predetermined distance and may be configured in parallel with the beam frame.
  • the guide pin portion may be provided with a smaller width than the pin insertion portion, and may be configured to be relatively movable in the width direction within the pin insertion portion.
  • the guide pin portion may be provided in a trapezoidal shape with a vertical cross-section of the upper and lower beams.
  • the guide pin part may have a longitudinal cross-section in an arc shape, and a surface facing the cell units may be configured to form a right angle to the bottom plate.
  • the surface pressure providing wall may include a ball member rollably coupled to the lower end.
  • the cell unit group is seated between the two beam frames facing each other on the bottom plate with the compression pad compressed, and the compression state of the compression pad is relieved so that the surface pressure providing wall is pushed and the beam It may be configured to contact the frame.
  • the guide pin portion may be formed integrally with the bottom plate.
  • the pin insertion portion may include a cushioning pad attached to the inner side.
  • the cell unit includes a cell stack consisting of one or two or more battery cells stacked; And it may include a cell cover provided to cover both side parts of the cell stack along the width direction of the cell stack and an upper part of the cell stack.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell.
  • the bottom plate may include cooling channels through which refrigerant may flow therein.
  • a vehicle including the above-described battery pack can be provided.
  • battery cells can be easily stored in a pack case, and by restraining the battery cells, structural stability is secured against vibration and shock, and the battery cells are A battery pack that can prevent performance degradation of battery cells by regulating excessive swelling of cells may be provided.
  • the battery pack according to the present invention can have a larger energy capacity than a conventional battery pack because battery cells can be intensively stored in the pack case.
  • the present invention may have various other effects, and these will be described in each implementation configuration, or the description of effects that can be easily inferred by those skilled in the art will be omitted.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the battery pack of FIG. 1.
  • Figure 3 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram schematically showing a cell unit group according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view of a cell unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the cell unit of FIG. 5.
  • Figure 7 is an enlarged view of an area inside the pack tray, omitting part of the wall of the pack tray according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 8 and 9 are diagrams showing a process in which a cell unit group is stored in a pack case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 9 and is a view showing a modified example of a guide pin portion according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 9 and is a view showing a modified example of a surface pressure providing wall according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a diagram schematically showing a car according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a perspective view schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a diagram schematically showing a cell unit group according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a diagram schematically showing the configuration of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is an exploded perspective view of the cell unit of Figure 5
  • Figure 7 is a portion of the wall of the pack tray according to an embodiment of the present invention is omitted and an area inside the pack tray This is an enlarged drawing.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention includes a cell unit group 10 and a pack case 20.
  • the cell unit group 10 includes cell units 100 arranged in a stack in one direction, and a compression pad P1 attached to one or both sides of the cell unit 100. and a pair of surface pressure providing walls 200 between the cell units 100 and the compression pads P1 that provide surface pressure to the cell units 100 and the compression pads P1. .
  • the cell unit 100 may refer to an energy storage body including one or two or more stacked battery cells 110 or a cell cover 120 accommodating the one or two or more battery cells 110.
  • the cell unit 100 includes a cell stack consisting of one or two or more stacked pouch-type battery cells 110, and an electrode lead from the cell stack. It includes a cell cover 120 that surrounds the remaining parts except the front side, rear side, and lower side where (111) is located. In other words, the cell cover 120 may be configured to cover both side surfaces and an upper side of the cell stack along the width direction ( ⁇ X direction) of the cell stack.
  • the cell unit 100 supports a terminal bus bar 131 electrically connected to the electrode leads 111 of the pouch-type battery cells 110 and the terminal bus bar 131 is open. It includes a bus bar frame assembly 130 that covers the front open end and the rear open end of the cell cover 120.
  • the cell unit 100 of this embodiment has a bus bar frame assembly 130 on the front side and the rear side, respectively.
  • the cell unit 100 may be composed of only a cell stack and a cell cover 120.
  • a bus bar frame assembly 130 that can stack a plurality of cell units 100 in one direction and cover the front and rear sides of the stacked cell units 100 at the same time may be used. .
  • the pouch-type battery cell 110 includes an electrode assembly, a pouch case that accommodates the electrode assembly, and an electrode lead 111 that is connected to the electrode assembly and extends to the outside of the pouch case.
  • the electrode lead 111 includes a positive electrode lead and a negative electrode lead as a pair.
  • the anode lead and the cathode lead may be provided at both ends of the battery cell 110 along the longitudinal direction (Y direction) of the battery cell 110.
  • These pouch-type battery cells 110 can be erected so that their wide surfaces are perpendicular to the ground and stacked in one direction (X direction) in a predetermined number.
  • three pouch-type battery cells 110 may be stacked in one direction (X direction).
  • the positive lead of each pouch-type battery cell 110 is arranged to face forward (-Y direction) and the negative lead of each pouch-type battery cell 110 is arranged to face backward (+Y direction).
  • the three pouch-type battery cells 110 can be connected in parallel by welding electrode leads 111 of the same polarity to terminal bus bars 131 located on corresponding sides to form one power bank.
  • the three pouch-type battery cells 110 can be accommodated in the cell cover 120, maintained in a stacked state, and connected in parallel via the terminal bus bar 131 of the bus bar frame assembly 130.
  • the terminal bus bar 131 may be configured so that its upper end is exposed to the outside of the bus bar housing 132, and the upper end of the terminal bus bar 131 is connected to the positive terminal or negative terminal of the cell unit 100. It can function.
  • the cell unit 100 is constructed using three pouch-type battery cells 110, but the cell unit 100 is constructed using one, two, or four or more pouch-type battery cells 110. You can also configure it. Although not shown, for example, three pouch-type battery cells 110 are connected in parallel using six pouch-type battery cells 110, and two groups of three pouch-type battery cells 110 are connected in parallel in this way. By connecting them in series, the six pouch-type battery cells 110 can be configured in a so-called '3P2S' form. In this case, the cell unit 100 may be configured to have its positive and negative terminals in the same direction.
  • the pouch-type battery cell 110 includes a storage portion (R) corresponding to a portion that accommodates the electrode assembly inside the pouch case, and four edge portions (E1 to E1) surrounding the storage portion (R). E4) can be provided.
  • the four edge portions (E1 to E4) are, for example, an upper edge portion (E1) and a lower edge portion ( E2), front edge portion (E3), and rear edge portion (E4).
  • the pouch-type battery cell 110 which applies a method of folding a single sheet of laminate film when storing the electrode assembly, has three sealing portions and is a pouch-type battery using a method of joining the edges of two sheets of laminate film.
  • the cell 110 has four sealing parts. Accordingly, in the pouch-type battery cell 110, three edge portions (E2, E3, E4 or E1, E3, E4) may be sealing portions, or all four edge portions (E1 to E4) may be sealing portions.
  • the cell cover 120 may be configured to cover at least a portion of one or two or more stacked pouch-type battery cells 110.
  • the cell cover 120 configured to surround one pouch-type battery cell 110 may be manufactured to cover both sides of the upper edge portion E1 and the storage portion (R) of the pouch-type battery cell 110. You can.
  • the cell cover 120 according to this embodiment includes the upper edge portion E1 of the three pouch-type battery cells 110 and the first pouch-type battery cell in the stacking order ( It can be manufactured in a form that can cover one side of the storage portion (R) of the third pouch-type battery cell 110 and one side of the storage portion (R) of the third pouch-type battery cell 110.
  • This cell cover 120 may be made of various materials.
  • the cell cover 120 may be made of a metal material to ensure rigidity.
  • the stacked state of the pouch-type battery cells 110 can be maintained more stably and the pouch-type battery cells 110 can be more safely protected from external shock.
  • the cell cover 120 may be formed entirely of stainless steel (SUS) or an alloy containing stainless steel.
  • the pouch-type battery cells 110 can be said to be vulnerable to external shock and have low hardness because the pouch case is made of a soft material. Therefore, it is not easy to store only the pouch-type battery cell 110 inside the pack case 20. Accordingly, the cell cover 120 is used, and the cell cover 120 ensures that the stacked and standing states of the pouch-type battery cells 110 are stably maintained.
  • the cell cover 120 prevents damage or breakage of the pouch-type battery cells 110 from external impacts, etc., and especially, when storing the pouch-type battery cells 110 in the pack case 20, the pouch-type battery cells 110 The stacked state of the cells 110 is maintained stably.
  • the cell cover 120 includes an upper cover part 121, a first side cover part 122, as shown in FIG. 6. ) and a second side cover portion 123.
  • the upper cover portion 121 may be configured to surround the upper edge portion E1 of the pouch-type battery cell 110 accommodated therein.
  • the upper cover portion 121 may be configured to contact or be spaced apart from the upper edge portion E1 of the pouch-type battery cell 110.
  • the first side cover portion 122 may be configured to extend downward from one edge line along the width direction of the upper cover portion 121.
  • the first side cover portion 122 may be configured to extend longer than the storage portion (R) of the pouch-type battery cell 110 in the downward direction from the left end of the upper cover portion 121. .
  • the first side cover portion 122 may be configured to cover one side of the at least one pouch-type battery cell 110.
  • the first side cover portion 122 may be configured to surround one surface of the receiving portion (R) of the first pouch-type battery cell 110 in FIG. 6.
  • the second side cover portion 123 may be configured to extend downward from the other edge line along the width direction of the upper cover portion 121.
  • the second side cover portion 123 may be configured to extend longer than the storage portion (R) of the pouch-type battery cell 110 in the downward direction from the right end of the upper cover portion 121. .
  • the second side cover portion 123 may be configured to cover one side of the at least one pouch-type battery cell 110.
  • the second side cover portion 123 may be configured to surround one surface of the receiving portion (R) of the third pouch-type battery cell 110 in FIG. 6.
  • the distance between the first side cover 122 and the second side cover 123 may be determined within a range within which the pouch-type battery cells 110 accommodated inside the cell cover 120 can be compressed. .
  • the pouch-type battery cells 110 can be pressed inside the cell cover 120, and the lower edge portions of the pouch-type battery cells 110 are exposed to the outside. Therefore, when the cell unit 100 is seated on the bottom plate 24 of the pack case 20, the lower edge portions of the pouch-type battery cells 110 directly face the bottom plate 24 of the pack case 20. You can. In this case, heat exchange between the lower edge portions of the pouch-type battery cells 110 and the bottom plate 24 of the pack case 20 can be performed more smoothly. Additionally, a heat conductive adhesive (G), etc. is applied to the bottom plate 24 of the pack case 20 to increase the heat transfer rate between the lower edges of the pouch-type battery cells 110 and the bottom plate 24 of the pack case 20. can also be increased.
  • G heat conductive adhesive
  • the stacked state of the pouch-type battery cells 110 is stably maintained and the pack
  • the pouch-type battery cells 110 can be mounted on the case 20, and further, the pouch-type battery cells 110 can be cooled easily and efficiently.
  • the cell cover 120 may be provided in a form in which the front side, rear side, and bottom side are open. And the cell cover 120 of this embodiment may include cutouts 124 at both ends of the upper end, as shown in FIG. 6 , provided in a cut-out form. Through this incision 124, the bus bar frame assembly 130 can be inserted into the cell cover 120, as shown in FIG. 5, and the upper end bent from the terminal bus bar 131 can be inserted into the cell cover ( 120) can be exposed toward the top. In this way, by configuring the electrode terminal of the cell unit 100 to face upward, the convenience of connection with other cell units 100 or external devices can be improved.
  • Busbar frame assembly 130 includes a first busbar frame assembly and a second busbar frame assembly.
  • the first bus bar frame assembly and the second bus bar frame assembly have substantially the same configuration, and as shown in FIGS. 5 and 6, the first bus bar frame assembly is located in the longitudinal direction of the cell cover 120. and the second bus bar frame assembly may be disposed at the other end (+Y direction) of the cell cover 120.
  • the positive leads of the three stacked pouch-type battery cells 110 are integrally welded to the terminal bus bar 131 of the first bus bar frame assembly, and the negative leads are welded to the terminal bus bar 131 of the first bus bar frame assembly. 2 It can be integrally welded to the terminal bus bar 131 of the bus bar assembly.
  • the three pouch-type battery cells 110 may be connected in parallel in a 3P1S form.
  • the bus bar frame assembly 130 may include, as a main component, a terminal bus bar 131, a bus bar housing 132, a housing cover 133, and an insulating sheet 134, as shown in FIG. 6.
  • the terminal bus bar 131 may be made of a metal such as copper, nickel, or aluminum, and the bus bar housing 132 may be made of an electrically insulating material such as plastic.
  • the bus bar housing 132 supports the terminal bus bar 131 and may be coupled to the cell cover 120. That is, the bus bar housing 132 may be configured to be coupled to the front open end and the rear open end of the cell cover 120, respectively, as shown in FIG. 5. At this time, the bus bar housing 132 may be fixedly coupled to the cell cover 120 through various fastening methods such as adhesive, welding, fitting, hook, bolting, and riveting.
  • This bus bar housing 132 may be provided in a box shape with a substantially rectangular parallelepiped structure.
  • the bus bar housing 132 may be provided with a slit into which the electrode lead 111 of the battery cell 110 can be inserted so that the electrode lead 111 can pass through the body. Accordingly, the electrode lead 111 of the battery cell 110 penetrates the bus bar housing 132 through the slit and is drawn out, and the drawn portion may be attached to the terminal bus bar 131. Laser welding may be performed when attaching the electrode lead 111 to the terminal bus bar 131. And the portion where the electrode lead 111 and the terminal bus bar 131 are combined can be shielded with the housing cover 133. Additionally, an insulating sheet 134 may be further attached to the outside of the housing cover 133. The insulating sheet 134 may be made of a flame-retardant material, such as mica.
  • the cell unit 100 may be configured, and compression pads P1 may be attached to one or both sides of the cell unit 100.
  • the compression pad P1 may be made of a material that is compressed by an external force and can be restored when the external force is released.
  • the compression pad P1 may be made of a material such as rubber, silicone, or memory foam.
  • cell units 100 to which compression pads P1 are attached are stacked facing each other in one direction (X direction), and surface pressure is applied to the outermost side of the stack of cell units 100 thus stacked.
  • a provision wall 200 is disposed. That is, the cell unit group 10 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of cell units 100, a buffer pad P2 disposed between the cell units 100, and the cell unit 100. It includes surface pressure providing walls 200 disposed one on each side of the outermost side along the stacking direction.
  • the surface pressure providing wall 200 easily stores the stacked cell units 100 in a pack case 20, and restrains the cell units 100 from moving after being stored in the pack case 20, thereby causing vibration.
  • ,It can be said to be a component used to ensure structural stability from shock.
  • the cell units 100 may be accommodated one by one without using the surface pressure providing wall 200.
  • the pouch-type battery cell 110 has a problem in that the storage portion (R) expands during overcharging and discharging, which acts as a factor in performance degradation. This swelling phenomenon can be suppressed or alleviated by pressing the pouch-type battery cell 110 with appropriate pressure.
  • the cell units 100 are mounted directly on the pack case 20 without any compression device, it is difficult to suppress swelling of the battery cells 110, and furthermore, the position of the battery cells 110 becomes unstable due to external shock or vibration.
  • the cell unit group 10 is composed of the pair of surface pressure providing walls 200, and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200, and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200, and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200, and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200, and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200 and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200 and the cell unit group 10 is configured to include the pair of surface pressure providing walls 200.
  • the unit group 10 is gripped as one piece and seated in the pack case 20
  • the pair of surface pressure providing walls 200 are configured to provide uniform surface pressure to the battery cells 110 arranged in a stack.
  • the pack case 20 may include a pack tray 22 and a pack cover 21.
  • the pack tray 22 includes a bottom plate 24 and a plurality of beam frames 23 arranged perpendicular to the bottom plate 24 to form a wall.
  • the plurality of beam frames 23 are formed across the bottom plate 24 from the inside of the outer beam frame 23a and the bottom plate 24 forming a wall along the outer circumference of the bottom plate 24. It may include an inner beam frame 23b that partitions the internal space of the pack tray 22.
  • Each cell unit group 10 may be seated in the inner space of the pack tray 22 surrounded and partitioned by the plurality of beam frames 23.
  • each cell unit group 10 is to be seated in the inner space of the pack tray 22 surrounded by the outer beam frame 23a and the inner beam frame 23b of the pack tray 22.
  • the pack tray 22 is configured to accommodate four cell unit groups 10 according to the present embodiment, the area of the bottom plate 24 of the pack tray 22 or the outer beam frame 23a ) and the number or position of the inner beam frame 23b can be changed to configure the pack tray 22 to accommodate less than 4 or more than 4 cell unit groups 10.
  • the cell unit group 10 is seated on the pack tray 22 with the compression pads P1 compressed, and one of the pair of surface pressure providing walls 200 is formed on the two beam frames facing each other. (23), the other one of the pair of surface pressure providing walls 200 may be seated to face the other one of the two beam frames 23 facing each other.
  • the battery pack according to the present invention supports the pair of surface pressure providing walls 200 where the two beam frames 23 face each other, so that the reaction force against the restoring force of the compression pads P1 is the It may be configured to act on the surface pressure providing wall 200.
  • the surface pressure providing wall 200 is provided with a pin insertion portion 201 at the bottom.
  • the pin insertion portion 201 may be indented upward from the lower surface of the surface pressure providing wall 200 and may be specified as an empty space formed inside the surface pressure providing wall 200.
  • This pin insertion portion 201 may be provided in a form extending long along the longitudinal direction of the surface pressure providing wall 200.
  • the pack case 20 is formed to protrude from the bottom plate 24 at a predetermined position, and has a guide pin portion 25 that is inserted into the pin insertion portion 201 to guide the surface pressure providing wall 200 to the correct position. It can be included.
  • the guide pin portion 25 is formed integrally with the pack tray 22 and is parallel to the beam frame 23, and when seating the cell unit group 10 on the pack tray 22, the surface pressure providing wall 200 It may be provided in a position corresponding to the pin insertion portion 201 in the vertical direction.
  • two guide pin units 25 may be provided on the bottom plate 24 of the pack tray 22 for each divided internal space of the pack tray 22 where each cell unit group 10 is to be seated.
  • one of the two guide pin parts 25 may be spaced apart from the outer beam frame 23a by a predetermined distance, and the other may be provided at a position spaced apart from the inner beam frame 23b by a predetermined distance.
  • the predetermined interval may be determined in consideration of the thickness of the surface pressure providing wall 200, the degree of compression of the compression pads P1, etc. However, the predetermined interval may be determined in a range smaller than the left and right widths ( ⁇ X direction) of the pin insertion portion 201 of the surface pressure providing wall 200.
  • the guide pin portion 25 may have a length corresponding to the surface pressure providing wall 200, and its longitudinal cross-section may be provided in a trapezoidal shape with upper and lower beams. In this case, in the process of seating the surface pressure providing wall 200 on the pack tray 22, the guide pin portion 25 can be easily inserted into the pin insertion portion 201 of the surface pressure providing wall 200. At this time, if the pin insertion portion 201 also has a trapezoidal shape corresponding to the guide pin portion 25, insertion between the pin insertion portion 201 and the guide pin portion 25 can be performed more easily.
  • the guide pin portion 25 may be provided with a smaller width than the pin insertion portion 201. In this case, when the cell unit group 10 is seated on the pack tray 22, not only can the guide pin portion 25 be more easily inserted into the pin insertion portion 201 of the surface pressure providing wall 200, but also the After the guide pin portion 25 is inserted into the pin insertion portion 201, the guide pin portion 25 may be relatively movable in the width direction within the pin insertion portion 201.
  • the compression pad P1 Due to their restoring force, the surface pressure providing wall 200 can be pushed and moved in the ⁇ X direction as shown by the arrow in FIG. 9. That is, the cell unit group 10 according to the present embodiment is seated between the two beam frames 23 facing each other on the bottom plate 24 with the compression pads P1 compressed, and the As the compression state of the compression pads P1 is relieved, the surface pressure providing wall 200 is pushed in the direction in which the restoring force of the compression pads P1 acts and may contact the beam frame 23.
  • the cell unit group 10 is provided with compression pads P1 and can be seated on the bottom plate 24 of the pack tray 22 in a compressed state.
  • the positions of the two guide pin parts 25 on the pack tray 22 and the gap between them can be a criterion for determining the degree of compression and loading position of the cell unit group 10.
  • a gap exists between the beam frame 23 of the pack tray 22 and the guide pin portion 25, and the width of the guide pin portion 25 is equal to the pin insertion portion 201 of the surface pressure providing wall 200.
  • the cell unit group 10 Since it is formed smaller, the cell unit group 10 is placed on the bottom plate 24 of the pack tray 22 so that the inner surface of the pin insertion portion 201 of the surface pressure providing wall 200 does not contact the guide pin portion 25. ) can be placed. After seating the cell unit group 10 on the pack tray 22 in this state, when the compression applied to the cell unit group 10 is released (with a gripping jig), the restoring force of the compression pads P1 acts to provide surface pressure. The wall 200 is pushed in the opposite direction of the compression direction and moves toward the beam frame 23.
  • the surface pressure providing wall 200 comes into face-to-face contact with the beam frame 23 and stops moving.
  • the movable distance of the surface pressure providing wall 200 may be limited to within the range of the width difference between the guide pin portion 25 and the pin insertion portion 201.
  • a buffer pad P2 may be attached to at least one of one side of the guide pin portion 25 and one side of the pin insertion portion 201 that face each other.
  • the buffer pad (P2) alleviates the impact caused by contact between the guide pin portion 25 and the pin insertion portion 201 and can be compressed between the guide pin portion 25 and the inner surface of the pin insertion portion 201. Therefore, assembly tolerances that may occur depending on the relative positions between the surface pressure providing wall 200, the beam frame 23, and the guide pin portion 25 can be resolved by compressing the buffer pad P2.
  • two opposing beam frames 23 support the pair of surface pressure providing walls 200 facing each other, thereby providing a reaction force against the restoring force of the compression pads P1. This can act on the surface pressure providing wall 200.
  • the reaction force of the surface pressure providing wall 200 acts on the cell units 100 so that the cell units 100 can be held firmly. Therefore, each cell unit group 10 mounted on the pack tray 22 can be structurally stable even against external shock or vibration. In addition, when the battery cells 110 are swelling during charging and discharging, the expansion of the battery cells 110 can be suppressed or alleviated by the reaction force of the pair of surface pressure providing walls 200.
  • the bottom plate 24 of the pack tray 22 may be configured to have a cooling channel 26 through which refrigerant can flow.
  • a thermally conductive adhesive (G) on the bottom plate 24 and arranging the cell units 100 on the thermally conductive adhesive (G), the heat generated from the battery cells 110 is more effectively transferred to the pack tray 22. ) can be conducted to the bottom plate 24 to increase the cooling efficiency of the battery cells 110.
  • FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 9 and shows a modified example of the guide pin unit 25 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 9 and is an embodiment of the present invention.
  • This is a drawing showing a modified example of the surface pressure providing wall 200 according to.
  • the guide pin portion 25 on the pack tray 22 described above does not necessarily have to have a trapezoidal shape, as in the embodiment described above.
  • the guide pin portion 25 may be manufactured in various shapes other than trapezoid.
  • the guide pin portion 28 may have an arc-shaped longitudinal cross-section. More specifically, the guide pin portion 28 has a fan-shaped cross section with an angle of 90 degrees, and the side facing the cell units 100 may be configured to form a right angle to the bottom plate 24 of the pack tray 22. there is.
  • the pin insertion portion 201 of the surface pressure providing wall 200 may have an internal space configured in a square shape.
  • the surface pressure providing wall 200 when the surface pressure providing wall 200 is seated, its lower end may descend along the arcuate portion of the guide pin portion 25, and the vertical surface of the guide pin portion 28 and the inner surface of the pin insertion portion 201 may interact with each other. Since they face each other in the horizontal direction, the reaction force acting between the guide pin portion 28 and the inner surface of the pin insertion portion 201 can act more uniformly and stably in the horizontal direction.
  • the surface pressure providing wall 200 according to the modified example may further include a ball member 202 rollably coupled to the lower end.
  • a ball member 202 rollably coupled to the lower end.
  • the restoring force of the compression pads P1 acts to provide surface pressure.
  • the surface pressure providing wall 200 according to this modification generates friction with the bottom plate 24 of the pack tray 22 due to the rotation of the ball member 202. You can move around with little to no teeth.
  • the ball member 202 may have, for example, a ball bearing.
  • the friction between the bottom plate 24 of the pack tray 22 and the surface pressure providing wall 200 is significantly reduced, so that the surface pressure providing wall 200 can be more reliably provided by the beam frame 23. It is supported well, and the reaction force of the surface pressure providing wall 200 acts on the cell units 100 without loss, so that the cell units 100 can be restrained more strongly than the cell units 100.
  • the battery pack may further include a control module 30.
  • the control module 30 includes a battery management system (BMS) that manages the charging and discharging operations, state of charge (SOC), state of health (SOH), etc. of the battery cells 110 and the It can be mounted in an internal space.
  • BMS battery management system
  • the battery pack may further include a switching unit 40.
  • the switching unit 40 may be configured to control electrical connection between the battery pack and an external circuit. To this end, the switching unit 40 may optionally include a current sensor, power relay, fuse, etc.
  • the battery pack according to the present invention can be used as a power energy source for automobiles. That is, the vehicle V according to the present invention may include the battery pack according to the present invention described above, as shown in FIG. 12.
  • the vehicle according to the present invention may include, for example, a vehicle that uses electricity as a driving source, such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • the vehicle according to the present invention may further include various other components included in the vehicle, such as a vehicle body or a motor, in addition to the battery pack according to the present invention.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은, 일 방향으로 적층 배열되는 복수 개의 셀 유닛들;과 각 상기 셀 유닛의 일측면 또는 양측면에 부착된 압축 패드;와, 상기 셀 유닛들과 상기 압축 패드를 사이에 두고 이들을 일체로 압박하는 한 쌍의 면압 제공벽체를 포함한 셀 유닛 그룹; 및 적어도 하나의 상기 셀 유닛 그룹을 수용하는 팩 케이스를 포함하고, 상기 면압 제공벽체는 하면으로부터 위쪽으로 만입되어 형성된 핀 삽입부를 하단에 구비하고, 상기 팩 케이스는 바닥판으로부터 돌출 형성되고, 상기 핀 삽입부에 삽입되어 상기 면압 제공벽체를 정위치로 가이드하는 가이드 핀부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차
본 출원은 2022년 06월 10일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2022-0070524호 및 2023년 05월 24일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2023-0067180에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 팩의 조립시 종래의 배터리 모듈 단위의 조립을 생략하고 배터리 셀들을 팩 케이스에 직접 조립할 수 있도록 구성한 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 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.
이에, 다양한 디바이스에 대한 이차전지의 적용이 증가하고 있다. 예를 들어, 다기능 소형 제품인 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차와 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원이나 전력저장장치(ESS)로도 사용되고 있다.
일반적으로 이차전지는 하나당 작동 전압이 약 2.5V ~ 4.5V 내외이다. 따라서 대용량 및 고출력이 요구되는 전기자동차나 전력저장장치의 경우, 다수의 이차전지들을 직렬 및/또는 병렬 연결하고 이를 모듈 하우징에 수납하여 구성한 배터리 모듈과, 상기 배터리 모듈을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 팩을 구성하고 이를 에너지원으로 사용하고 있다. 즉, 종래의 배터리 팩은 그 하위 개념으로 배터리 모듈을 포함하고, 배터리 모듈은 그 하위 개념으로 배터리 셀을 포함한다. 그리고 하나의 배터리 모듈에 들어가는 배터리 셀의 개수 또는 하나의 배터리 팩에 들어가는 배터리 모듈의 개수는 전기자동차에 요구되는 배터리 팩의 출력이나 용량에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
한편, 일 예로서 전기자동차용 배터리 팩(1)의 배터리 모듈(2)들은 배터리 셀(3)들과 배터리 셀들을 전기적으로 연결하기 위한 버스바 프레임(미도시) 및 상기 배터리 셀들과 버스바 프레임을 일체로 수용하는 모듈 하우징(4)을 포함한다. 상기 배터리 모듈들은, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 팩 트레이의 내부 공간(5)에 배치되고, 팩 트레이의 바닥에 볼트 등으로 고정될 수 있다. 일반적으로 상기 팩 트레이는 충격이나 진동에 대한 내구성을 증대시키기 위해 여러 개의 빔 프레임(6)을 구비할 수 있다. 상기 빔 프레임은 팩 트레이의 일측 벽면에서 연장되어 타측 벽면에 결합되어 있어 팩 트레이의 뒤틀림이나 변형을 억제하는 작용을 할 수 있다. 팩 트레이는 내부 공간이 상기 빔 프레임들에 의해 여러 개로 구획될 수 있고, 상기 구획된 공간들에 배터리 모듈들이 각각 배치될 수 있다.
그런데 이와 같이 배터리 모듈들을 팩 트레이에 탑재한 배터리 팩의 경우, 배터리 모듈과 빔 프레임 사이의 갭에 해당하는 데드 스페이스(dead space), 모듈 하우징이 차지하는 무게와 부피 등이 배터리 팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 떨어뜨리는 요소로 작용하여 배터리 팩의 에너지 용량을 획기적으로 증가시키기 어렵다는 지적이 있다. 그러나 최근 전기자동차 시장이 급격히 성장하면서 전기자동차의 이동 거리가 중요시되고 있다. 전기 자동차의 이동 거리는 배터리 팩의 에너지 용량에 크게 좌우된다. 따라서 당해 업계에서, 배터리 팩의 단위 부피당 에너지 밀도를 증대시킬 수 있는 방안을 마련하는 것이 당해 업계에서 여전히 큰 이슈이다. 이에 최근 모듈 하우징을 생략하고 배터리 셀들을 직접 팩 트레이에 탑재하는 방식, 즉 배터리 모듈 제작 단계를 생략하고 배터리 셀들을 바로 팩 트레이에 탑재하는 소위 셀투팩(Cell To Pack) 타입의 배터리 팩이 주목받고 있다.
그런데 셀투팩은 모듈 하우징을 사용하지 않기 때문에 기존과 전혀 다른 방식으로 배터리 팩에 배터리 셀들을 탑재하고 고정하여야 한다. 나아가, 외부 충격이나 진동에도 배터리 셀들이 유동하지 않도록 구속하고 충방전시 배터리 셀들의 스웰링 현상 등을 규제할 수 있어야 한다. 따라서 충격이나 진동시 배터리 셀들의 구조적 안정성을 유지할 수 있고, 뿐만 아니라 배터리 셀들의 스웰링 현상까지 규제할 수 있는 셀투팩 방식의 배터리 팩이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CTP 타입의 배터리 팩으로서, 배터리 셀들을 용이하게 팩 케이스에 수납할 수 있고 상기 배터리 셀들을 구속함으로써 진동, 충격에도 구조적 안정성을 확보할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
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.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일 방향으로 적층 배열되는 복수 개의 셀 유닛들;과 각 상기 셀 유닛의 일측면 또는 양측면에 부착된 압축 패드;과, 상기 셀 유닛들과 상기 압축 패드를 사이에 두고 이들을 일체로 압박하는 한 쌍의 면압 제공벽체를 포함한 셀 유닛 그룹; 및 적어도 하나의 상기 셀 유닛 그룹을 수용하는 팩 케이스를 포함하고, 상기 면압 제공벽체는 하면으로부터 위쪽으로 만입되어 형성된 핀 삽입부를 하단에 구비하고, 상기 팩 케이스는 바닥판에서 미리 지정된 위치에 돌출 형성되고 상기 핀 삽입부에 삽입되어 상기 면압 제공벽체를 정위치로 안내하는 가이드 핀부를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상기 바닥판과 상기 바닥판에 수직하게 배치되어 벽체를 형성하는 복수 개의 빔 프레임을 구비한 팩 트레이를 포함하고, 상기 셀 유닛 그룹은, 상기 압축 패드가 압축된 상태로 상기 팩 트레이에 안착되고, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체 중 하나는 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임 중 하나와 대면하고, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체 중 나머지 하나는 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임 중 나머지 하나와 대면하도록 구성될 수 있다.
서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임이, 각각 대면하는 상기 면압 제공벽체를 지지하여, 상기 압축 패드들의 복원력에 대한 반력이 상기 면압 제공벽체에 작용하도록 구성될 수 있다.
상기 가이드 핀부는 상기 빔 프레임과 소정 간격 이격된 위치 구비되고 상기 빔 프레임과 나란하게 구성될 수 있다.
상기 가이드 핀부는 상기 핀 삽입부보다 폭이 더 작게 마련되어, 상기 핀 삽입부의 내부에서 폭 방향으로 상대이동 가능하게 구성될 수 있다.
상기 가이드 핀부는, 종단면이 상협하광의 사다리꼴 형태로 마련될 수 있다.
상기 가이드 핀부는, 종단면이 아크(arc) 형태로 마련되고, 상기 셀 유닛들을 향하는 면은 상기 바닥판과 직각을 이루도록 구성될 수 있다.
상기 면압 제공벽체는, 하단부에 구름 가능하게 결합된 볼 부재를 포함할 수 있다.
상기 셀 유닛 그룹은, 상기 압축 패드가 압축된 상태로, 상기 바닥판에서 서로 마주하는 2개의 상기 빔 프레임 사이에 안착되고 상기 압축 패드의 압축 상태가 완화되도록 하여 상기 면압 제공벽체가 밀려가나 상기 빔 프레임에 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 가이드 핀부는, 상기 바닥판과 일체로 형성될 수 있다.
상기 핀 삽입부는, 내측면에 부착되는 완충 패드를 포함할 수 있다.
상기 셀 유닛은, 하나 또는 적층된 둘 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 스택; 및 상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 양쪽 측면부와, 상기 셀 스택의 상부를 커버하도록 마련된 셀 커버를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있다.
상기 바닥판은 그것의 내부에 냉매가 유동할 수 있는 냉각 채널을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 셀투팩(Cell To Pack) 타입의 배터리 팩으로서 배터리 셀들을 용이하게 팩 케이스에 수납할 수 있고 상기 배터리 셀들을 구속함으로써 진동, 충격에도 구조적 안정성을 확보하고, 충방전시 배터리 셀들의 과도한 스웰링(swelling) 현상을 규제하여 배터리 셀들의 성능 저하를 방지할 수 있는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 셀들이 팩 케이스에 집약적으로 수납될 수 있어 종래의 배터리 팩보다 큰 에너지 용량을 가질 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시 구성에서 설명하거나, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛 그룹을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 사시도이다.
도 6은 도 5의 셀 유닛의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 트레이의 벽체 일부를 생략하고 팩 트레이의 내부의 일 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛 그룹이 팩 케이스에 수납되는 과정을 나타낸 도면들이다.
도 10은 도 9에 대응하는 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 핀부의 변형예를 도시한 도면이다.
도 11은 도 9에 대응하는 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 면압 제공벽체의 변형예를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 개략적으로 도시한 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 안 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛 그룹을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 사시도이고, 도 6은 도 5의 셀 유닛의 분해 사시도이며 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 트레이의 벽체 일부를 생략하고 팩 트레이의 내부의 일 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 셀 유닛 그룹(10)과 팩 케이스(20)를 포함한다.
상기 셀 유닛 그룹(10)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 일 방향으로 적층 배열되는 셀 유닛(100)들과, 상기 셀 유닛(100)의 일측면 또는 양측면에 부착되는 압축 패드(P1)와 상기 셀 유닛(100)들과 상기 압축 패드(P1)들을 사이에 상기 셀 유닛(100)들과 상기 압축 패드(P1)들에 면압을 제공하는 한 쌍의 면압 제공벽체(200)를 포함한다.
상기 셀 유닛(100)은 하나 또는 적층된 둘 이상의 배터리 셀(110)들 또는 상기 하나 또는 둘 이상의 배터리 셀(110)들을 수용하는 셀 커버(120)를 포함하는 에너지 저장체를 의미할 수 있다.
구체적으로, 도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 셀 유닛(100)은, 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들로 이루어진 셀 스택과, 상기 셀 스택에서 전극 리드(111)가 위치한 전방측과 후방측 그리고 하부측을 제외한 나머지 부분들을 감싸는 셀 커버(120)를 포함한다. 다시 말하면, 상기 셀 커버(120)는 상기 셀 스택의 폭 방향(±X방향)에 따른 상기 셀 스택의 양쪽 측면부와 상부측을 커버할 수 있게 구성될 수 있다. 또한, 상기 셀 유닛(100)은, 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 전극 리드(111)와 전기적으로 연결되는 터미널 버스바(131)와 상기 터미널 버스바(131)를 지지하며 개방되어 있는 상기 셀 커버(120)의 전방 개방단과 후방 개방단을 커버하는 버스바 프레임 조립체(130)를 포함한다. 즉, 본 실시예의 셀 유닛(100)은 각각 전방측과 후방측에 버스바 프레임 조립체(130)를 갖는다. 그러나 본 실시예와 달리, 셀 유닛(100)은 셀 스택과 셀 커버(120) 만으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 복수 개의 셀 유닛(100)들을 일 방향으로 적층하고, 적층한 복수 개의 셀 유닛(100)들의 전방측과 후방측을 각각 한꺼번에 커버할 수 있는 버스바 프레임 조립체(130)를 사용할 수도 있다.
다시, 도 6을 참조하면, 상기 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스 및 전극 조립체와 연결되며 파우치 케이스의 외측으로 인출되는 전극 리드(111)를 포함한다. 상기 전극 리드(111)는 양극 리드와 음극 리드를 한 쌍으로 포함한다. 여기서 상기 양극 리드와 상기 음극 리드는 배터리 셀(110)의 길이 방향(Y 방향)에 따른 배터리 셀(110)의 양단에 구비될 수 있다.
이러한 파우치형 배터리 셀(110)은, 넓은 면이 지면에 대해 수직이 되도록 세워지고 일 방향(X 방향)으로 정해진 개수만큼 적층될 수 있다. 예들 들면, 도 6에 도시한 바와 같이, 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들이 일 방향(X 방향)으로 적층될 수 있다. 이때 각 파우치형 배터리 셀(110)의 양극 리드는 전방(-Y 방향)을 향하고 각 파우치형 배터리 셀(110)의 음극 리드는 후방(+Y 방향)을 향하도록 배치한다. 이 경우 상기 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들은 동일 극성의 전극 리드(111)들끼리 대응하는 쪽에 위치한 터미널 버스바(131)에 용접되어 병렬적으로 연결되고 하나의 파워뱅크를 이룰 수 있다.
즉, 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들은 셀 커버(120)에 수용되어 적층 상태가 유지되고 버스바 프레임 조립체(130)의 터미널 버스바(131)를 매개로 병렬 연결될 수 있다. 그리고 상기 터미널 버스바(131)는 그것의 상단부가 버스바 하우징(132)의 외측으로 노출되도록 구성될 수 있고 이러한 터미널 버스바(131)의 상단부가 셀 유닛(100)의 양극 터미널 또는 음극 터미널로 기능할 수 있다.
본 실시예는 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들을 사용하여 셀 유닛(100)을 구성하였지만, 1개, 2개 또는 4개 이상의 파우치형 배터리 셀(110)을 사용하여 셀 유닛(100)을 구성할 수도 있다. 미도시 하였으나, 예를 들면, 6개의 파우치형 배터리 셀(110)들을 사용하여 3개씩의 파우치형 배터리 셀(110)들을 병렬 연결하고, 이렇게 병렬 연결된 3개씩 2그룹의 파우치형 배터리 셀(110)들을 직렬 연결하여, 상기 6개의 파우치형 배터리 셀(110)들을 소위 '3P2S' 형태로 구성할 수 있다. 이 경우, 셀 유닛(100)은 그것의 양극 터미널과 음극 터미널을 같은 방향에 갖도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 파우치형 배터리 셀(110)은 파우치 케이스 내부에 전극 조립체를 수용한 부분에 해당하는 수납부(R)와, 상기 수납부(R) 주위를 둘러싸는 형태의 4개의 에지부(E1~E4)를 구비할 수 있다. 상기 4개의 에지부(E1~E4)란, 이를테면, 도 6과 같이 기립 배치된 파우치형 배터리 셀(110)에서, 상기 수납부(R)를 기준으로 상측 에지부(E1), 하측 에지부(E2), 전방측 에지부(E3) 및 후방측 에지부(E4)를 의미한다.
여기서 상기 에지부들(E1~E4)은 모두 실링부이거나 상측 에지부(E1) 또는 하측 에지부(E2)를 제외한 나머지 3개의 에지부(E2,E3,E4 or E1,E3,E4)가 실링부일 수 있다. 부연하면, 전극 조립체를 수납할 때, 한 장의 라미네이트 필름을 폴딩하는 방식을 적용한 파우치형 배터리 셀(110)은 3개의 실링부를 갖고, 2장의 라이네이트 필름의 테두리를 접합하는 방식을 적용한 파우치형 배터리 셀(110)은 4개의 실링부를 갖는다. 이에 따라 파우치형 배터리 셀(110)은 3개의 에지부(E2,E3,E4 or E1,E3,E4)가 실링부이거나 4개의 에지부(E1~E4)가 모두 실링부일 수 있다.
상기 셀 커버(120)는 하나 또는 적층된 둘 이상의 파우치형 배터리 셀(110)들의 적어도 일부를 감싸도록 구성될 수 있다. 예컨대, 하나의 파우치형 배터리 셀(110)을 감싸도록 구성된 셀 커버(120)는 해당 파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부(E1)와 수납부(R)의 양면을 감싸는 형태로 제작될 수 있다. 또는, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 셀 커버(120)는, 상기 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들의 상측 에지부(E1)와, 적층 순서상 첫번째 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)의 일면과 세번째 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)의 일면을 감싸는 커버할 수 있는 형태로 제작될 수 있다.
이러한 셀 커버(120)는, 다양한 재질로 구성될 수 있다. 특히, 상기 셀 커버(120)는, 강성 확보를 위해 금속 재질로 구성될 수 있다. 금속 재질의 경우, 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태를 보다 안정적으로 유지하며, 외부 충격으로부터 파우치형 배터리 셀(110)들을 보다 안전하게 보호할 수 있다. 예컨대, 상기 셀 커버(120)는 전체가 스테인리스 스틸(SUS) 재질로 형성되거나 스테인리스 스틸을 포함한 합금으로 이루어질 수 있다.
파우치형 배터리 셀(110)들은 파우치 케이스가 연성 재질로 제작되어 외부 충격에 취약하고 경도가 낮다고 할 수 있다. 따라서, 파우치형 배터리 셀(110)만을 팩 케이스(20) 내부에 수납하는 것은 용이하지 않다. 이에 셀 커버(120)가 사용되며, 상기 셀 커버(120)는 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태 및 기립 상태가 안정적으로 유지될 수 있도록 해준다.
또한, 셀 커버(120)는 외부의 충격 등으로부터 파우치형 배터리 셀(110)의 손상이나 파손을 방지하고 특히, 파우치형 배터리 셀(110)들을 팩 케이스(20)에 수납할 때, 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있도록 한다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 셀 커버(120)의 구성에 대해 살펴보면, 상기 셀 커버(120)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상측 커버부(121), 제1 측면 커버부(122) 및 제2 측면 커버부(123)를 포함한다.
상기 상측 커버부(121)는 내부에 수용된 파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부(E1)를 감싸도록 구성될 수 있다. 상기 상측 커버부(121)는, 파우치형 배터리 셀(110)의 상측 에지부(E1)에 접촉되거나 이격되는 형태로 구성될 수 있다.
상기 제1 측면 커버부(122)는, 상측 커버부(121)의 폭 방향에 따른 일측 모서리 라인으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 측면 커버부(122)는, 상측 커버부(121)의 좌측 단부에서 하부 방향으로 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)보다 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다.
상기 제1 측면 커버부(122)는, 상기 적어도 하나의 파우치형 배터리 셀(110)의 일 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 제1 측면 커버부(122)는, 도 6에서 첫번째 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)의 일면을 감싸도록 구성될 수 있다.
상기 제2 측면 커버부(123)는, 상측 커버부(121)의 폭 방향에 따른 타측 모서리 라인으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면 커버부(123)는, 상측 커버부(121)의 우측 단부에서 하부 방향으로 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)보다 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다.
상기 제2 측면 커버부(123)는, 상기 적어도 하나의 파우치형 배터리 셀(110)의 일 측면을 커버하도록 구성될 수 있다. 이를테면, 상기 제2 측면 커버부(123)는, 도 6에서 세번째 파우치형 배터리 셀(110)의 수납부(R)의 일면을 감싸도록 구성될 수 있다.
상기 제1 측면 커버부(122)와 상기 제2 측면 커버부(123)의 간격은 상기 셀 커버(120)의 내부에 수용되는 파우치형 배터리 셀(110)들이 압박될 수 있는 범위에서 결정될 수 있다.
이러한 셀 커버(120) 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)들이 셀 커버(120)의 내부에서 압박될 수 있으며 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 하측 에지부는 외부로 노출된다. 따라서 셀 유닛(100)을 팩 케이스(20)의 바닥판(24)에 안착시킬 때, 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 하측 에지부가 팩 케이스(20)의 바닥판(24)과 직접 대면할 수 있다. 이 경우, 파우치형 배터리 셀(110)들의 하측 에지부와 팩 케이스(20)의 바닥판(24) 간의 열교환이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 추가적으로 상기 팩 케이스(20)의 바닥판(24)에 열전도성 접착제(G) 등을 도포하여 상기 파우치형 배터리 셀(110)들의 하측 에지부와 팩 케이스(20)의 바닥판(24) 간의 열전달율을 증대시킬 수도 있다. 즉, 본 실시예와 같이, 셀 커버(120)를 사용하여 파우치형 배터리 셀(110)들의 하부를 커버하지 않은 실시 구성에 의하면, 파우치형 배터리 셀(110)들의 적층 상태를 안정적으로 유지하며 팩 케이스(20)에 파우치형 배터리 셀(110)들을 탑재할 수 있고 나아가 파우치형 배터리 셀(110)들에 대한 냉각이 수월하고 효율적으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 셀 커버(120)는 전방 측과 후방 측 그리고 하부 측이 개방된 형태로 제공될 수 있다. 그리고 본 실시예의 셀 커버(120)는, 상단 양쪽 끝부분이, 도 6과 같이, 잘려나간 형태로 제공되는 절개부(124)를 포함할 수 있다. 이러한 절개부(124)를 통해, 도 5와 같이, 버스바 프레임 조립체(130)를 셀 커버(120)의 안쪽 방향으로 인입시킬 수 있고, 터미널 버스바(131)에서 절곡된 상단부를 셀 커버(120)의 상부 방향으로 노출시킬 수 있다. 이와 같이, 셀 유닛(100)의 전극 터미널이 상부 방향을 향하도록 구성함으로써, 다른 셀 유닛(100) 또는 외부 장치와의 연결 편의성을 높일 수 있다.
버스바 프레임 조립체(130)는 제1 버스바 프레임 조립체와 제2 버스바 프레임 조립체를 포함한다. 상기 제1 버스바 프레임 조립체와 상기 제2 버스바 프레임 조립체는 실질적으로 동일한 구성을 가지고, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 버스바 프레임 조립체는 셀 커버(120)의 길이 방향에 따른 일단부(-Y 방향)에 배치되고, 제2 버스바 프레임 조립체는 셀 커버(120)의 타단부(+Y방향)에 배치될 수 있다. 전술한 바 있듯이, 본 실시예에서, 적층된 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들의 양극 리드들은 상기 제1 버스바 프레임 조립체의 터미널 버스바(131)에 일체로 용접되고, 음극 리드들은 상기 제2 버스바 조립체의 터미널 버스바(131)에 일체로 용접될 수 있다. 이 경우, 상기 3개의 파우치형 배터리 셀(110)들은 3P1S 형태로 병렬 연결될 수 있다.
상기 버스바 프레임 조립체(130)는, 주요 구성으로서, 도 6과 같이, 터미널 버스바(131), 버스바 하우징(132), 하우징 덮개(133) 및 절연 시트(134)를 포함할 수 있다.
상기 터미널 버스바(131)는 예컨대, 구리, 니켈, 알루미늄과 같은 금속으로 제작되고, 버스바 하우징(132)은 예컨대 플라스틱과 같은 전기 절연성 소재로 제작될 수 있다.
상기 버스바 하우징(132)은, 상기 터미널 버스바(131)를 지지하며 상기 셀 커버(120)와 결합될 수 있다. 즉, 버스바 하우징(132)은 도 5와 같이, 셀 커버(120)의 전방 개방단과 후방 개방단에 각각 결합될 수 있게 구성될 수 있다. 이때, 버스바 하우징(132)은, 접착, 용접, 끼움 결합, 후크 결합, 볼팅 결합, 리벳 결합 등 다양한 체결 방식을 통해 셀 커버(120)에 고정되게 결합될 수 있다.
이러한 버스바 하우징(132)은, 대략 직육면체 구조의 박스 형으로 마련될 수 있다. 상기 버스바 하우징(132)은 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)가 몸체를 통과할 수 있도록 상기 전극 리드(111)를 끼워넣을 수 있는 슬릿을 구비할 수 있다. 이에 배터리 셀(110)의 전극 리드(111)는 상기 슬릿을 통해 버스바 하우징(132)의 관통하여 외측으로 인출되고, 인출된 부분은 터미널 버스바(131)에 부착될 수 있다. 상기 전극 리드(111)를 상기 터미널 버스바(131)에 부착할 때 레이저 용접이 수행될 수 있다. 그리고 전극 리드(111)와 터미널 버스바(131)가 결합된 부분은 하우징 덮개(133)로 차폐될 수 있다. 또한, 상기 하우징 덮개(133)의 외측에는 절연 시트(134)가 더 부착될 수 있다. 상기 절연 시트(134)는, 예컨대 미카(mica) 등과 같은 방염소재로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛(100)이 구성될 수 있으며, 이러한 셀 유닛(100)의 일측면 또는 양측면에 압축 패드(P1)가 부착될 수 있다. 상기 압축 패드(P1)는 외력에 의해 압축되고 외력이 해제되면 복원될 수 있는 소재로 마련될 수 있다. 예컨대 상기 압축 패드(P1)는 고무, 실리콘 또는 메모리 폼(foam)과 같은 소재로 마련될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 압축 패드(P1)가 부착된 셀 유닛(100)들이, 일 방향(X방향)으로 상호 대면하게 적층되고, 이렇게 적층된 셀 유닛(100) 적층체의 최외측에 면압 제공벽체(200)가 배치된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛 그룹(10)은 복수 개의 셀 유닛(100)과, 상기 셀 유닛(100)들 사이에 배치되는 완충 패드(P2), 및 상기 셀 유닛(100)들의 적층 방향에 따른 최외곽 양쪽에 하나씩 배치되는 면압 제공벽체(200)를 포함한다.
상기 면압 제공벽체(200)는 적층된 셀 유닛(100)들을 일체로 팩 케이스(20)에 용이하게 수납하고, 팩 케이스(20)에 수납 후 상기 셀 유닛(100)들이 유동하지 않도록 구속함으로써 진동,충격으로부터 구조적 안정을 확보하기 위해 사용되는 구성요소라 할 수 있다.
예컨대, 상기 면압 제공벽체(200)를 사용하지 않고 셀 유닛(100)들을 하나씩 수납할 수도 있다. 그러나 이 경우 작업 시간이 길어지는 등 효과적이 못하다. 또한, 파우치형 배터리 셀(110)은 과충방전시 수납부(R)가 팽창하는 문제가 있고 이는 성능퇴화의 요인으로 작용한다. 이러한 스웰링 현상은 적정한 압력으로 파우치형 배터리 셀(110)을 압박함으로써 억제 내지 완화될 수 있다. 그런데 아무런 압박 장치없이 셀 유닛(100)들을 팩 케이스(20)에 바로 탑재할 경우, 배터리 셀(110)들의 스웰링을 억제하기 어렵고, 나아가 외부 충격이나 진동에 배터리 셀(110)들의 위치가 불안정해져 구조적, 전기적 안정성에 문제가 발생할 여지가 없지 않다.
이에 본 발명에 따른 배터리 팩은, 셀 유닛 그룹(10)이 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200)를 포함하여 구성되고 로봇 암(미도시) 또는 그립핑 지그(미도시)를 사용하여 상기 셀 유닛 그룹(10)을 일체로 그립핑하여 팩 케이스(20)에 안착한 때, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200)가 적층 배열된 배터리 셀(110)들에 균일한 면압을 제공하도록 구성되어 있다. 이하에서는 이를 위한 본 발명의 구성요소들과 그것들의 작용에 대해 보다 자세히 설명하기로 한다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 팩 케이스(20)는, 팩 트레이(22)와 팩 커버(21)를 포함할 수 있다.
상기 팩 트레이(22)는, 바닥판(24)과 상기 바닥판(24)에 수직하게 배치되어 벽체를 형성하는 복수 개의 빔 프레임(23)들을 포함한다. 상기 복수 개의 빔 프레임(23)들은, 상기 바닥판(24)의 외곽 둘레를 따라 벽체를 형성하는 외곽 빔 프레임(23a)과 상기 바닥판(24)의 내측에서 상기 바닥판(24)을 가로질러 상기 팩 트레이(22)의 내부 공간을 구획하는 내측 빔 프레임(23b)을 포함할 수 있다.
각 셀 유닛 그룹(10)은, 상기 복수 개의 빔 프레임(23)들로 둘러싸여 구획된 팩 트레이(22)의 내부 공간에 안착될 수 있다. 이를테면, 도 3에 도시한 바와 같이, 각 셀 유닛 그룹(10)은 팩 트레이(22)의 외곽 빔 프레임(23a)과 내측 빔 프레임(23b)으로 둘러싸인 팩 트레이(22)의 내부 공간에 안착될 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 4개의 셀 유닛 그룹(10)을 수용할 수 있게 팩 트레이(22)가 구성되어 있지만, 상기 팩 트레이(22)의 바닥판(24)의 면적이나 외곽 빔 프레임(23a)과 내측 빔 프레임(23b)의 개수나 위치를 변경하여 4개 미만 또는 4개 이상의 셀 유닛 그룹(10)들을 수용할 수 있게 팩 트레이(22)를 구성할 수도 있다.
상기 셀 유닛 그룹(10)은 상기 압축 패드(P1)들이 압축된 상태로 상기 팩 트레이(22)에 안착되고, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200) 중 하나는 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임(23)들 중 하나와 대면하고, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200) 중 나머지 하나는 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임(23)들 중 나머지 하나와 대면하게 안착될 수 있다.
이때 본 발명에 따른 배터리 팩은 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임(23)들이 각각 대면하는 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200)를 지지하여, 상기 압축 패드(P1)들의 복원력에 대한 반력이 상기 면압 제공벽체(200)에 작용하도록 구성될 수 있다.
이에 대해서는, 도 3과 함께 도 7 내지 도 9를 주로 참조하여 자세히 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 면압 제공벽체(200)는 하단에 핀 삽입부(201)를 구비한다. 상기 핀 삽입부(201)는 상기 면압 제공벽체(200)의 하면으로부터 위쪽으로 만입되어 상기 면압 제공벽체(200)의 내부에 형성된 빈 공간으로 특정될 수 있다. 이러한 핀 삽입부(201)는 면압 제공벽체(200)의 길이 방향을 따라 길게 연장된 형태로 제공될 수 있다.
그리고 팩 케이스(20)는 바닥판(24)에서 미리 지정된 위치에 돌출 형성되고, 상기 핀 삽입부(201)에 삽입되어 상기 면압 제공벽체(200)를 정위치로 안내하는 가이드 핀부(25)를 포함할 수 있다.
상기 가이드 핀부(25)는 상기 팩 트레이(22)와 일체로 형성되며 상기 빔 프레임(23)과 나란하고 셀 유닛 그룹(10)을 팩 트레이(22)에 안착할 때 상기 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)와 상하 방향으로 대응할 수 있는 위치에 구비될 수 있다.
보다 구체적으로 각 셀 유닛 그룹(10)이 안착될 팩 트레이(22)의 구획된 내부 공간 마다 2개를 가이드 핀부(25)가 팩 트레이(22)의 바닥판(24)에 구비될 수 있다. 본 실시예에서 2개의 가이드 핀부(25) 중 하나는 외곽 빔 프레임(23a)에서 미리 결정된 간격만큼 이격되고 나머지 하나는 내측 빔 프레임(23b)에서 미리 결정된 간격만큼 이격된 위치에 구비될 수 있다. 여기서 상기 미리 결정된 간격은 면압 제공벽체(200)의 두께, 압축 패드(P1)들의 압축 정도 등을 고려하여 결정될 수 있다. 다만, 상기 미리 결정된 간격은 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)의 좌우 폭(±X방향)보다 작은 범위에서 결정될 수 있다.
상기 가이드 핀부(25)는, 상기 면압 제공벽체(200)에 대응하는 길이를 가질 수 있으며, 그 것의 종단면은 상협하광의 사다리꼴 형태로 마련될 수 있다. 이 경우, 면압 제공벽체(200)를 팩 트레이(22)에 안착시키는 과정에서, 상기 가이드 핀부(25)가 상기 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)에 용이하게 삽입될 수 있다. 이때 상기 핀 삽입부(201) 역시 상기 가이드 핀부(25)와 대응하는 사다리꼴 형태이면 상기 핀 삽입부(201)와 상기 가이드 핀부(25) 간의 삽입이 보다 수월하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 가이드 핀부(25)는 상기 핀 삽입부(201)보다 폭이 더 작게 마련될 수 있다. 이 경우 셀 유닛 그룹(10)을 팩 트레이(22)에 안착시, 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)에 상기 가이드 핀부(25)가 더욱 용이하게 삽입될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 핀 삽입부(201)에 상기 가이드 핀부(25)가 삽입된 후 상기 핀 삽입부(201)의 내부에서 상기 가이드 핀부(25)가 폭 방향으로 상대이동 가능하게 될 수 있다.
상기 구성에 의하면, 도 8과 같이, 그립핑 지그(미도시)를 사용하여 셀 유닛 그룹(10)을 압축한 상태로 팩 트레이(22)에 안착시킨 후, 압축을 해제하면 압축 패드(P1)들의 복원력에 의해 도 9의 화살표시와 같이 면압 제공벽체(200)가 ±X방향으로 밀려 이동할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 셀 유닛 그룹(10)은, 압축 패드(P1)들이 압축된 상태로 상기 바닥판(24)에서 서로 마주하는 2개의 상기 빔 프레임(23)들 사이에 안착되고, 상기 압축 패드(P1)들의 압축 상태가 완화되면서 상기 압축 패드(P1)들의 복원력이 작용하는 방향으로 상기 면압 제공벽체(200)가 밀려가나 상기 빔 프레임(23)에 접촉할 수 있다.
부연하면, 도 8에 도시한 실시예와 같이, 셀 유닛 그룹(10)은 압축 패드(P1)들을 구비하고 있어 압축된 상태로 팩 트레이(22)의 바닥판(24)에 안착될 수 있다. 이때 팩 트레이(22) 상에 있는 2개의 가이드 핀부(25)의 위치 및 이들 간의 간격이 셀 유닛 그룹(10)의 압축 정도와 로딩 위치를 결정하는 척도가 될 수 있다. 그리고 팩 트레이(22)의 빔 프레임(23)과 가이드 핀부(25) 사이에 갭(gap)이 존재하고 상기 가이드 핀부(25)의 폭이 상기 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)보다 작게 형성되어 있으므로, 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)의 내측면과 상기 가이드 핀부(25)가 접촉하지 않게 셀 유닛 그룹(10)을 팩 트레이(22)의 바닥판(24)에 안착시킬 수 있다. 이 상태로 셀 유닛 그룹(10)을 팩 트레이(22)에 안착시킨 후, (그립핑 지그로) 셀 유닛 그룹(10)에 가했던 압축을 풀면 압축 패드(P1)들의 복원력이 작용하여 면압 제공벽체(200)가 압축 방향의 역방향으로 밀려나가 빔 프레임(23) 쪽으로 이동하게 된다.
그러면 도 9에 도시한 바와 같이, 면압 제공벽체(200)가 빔 프레임(23)과 대면 접촉하여 이동이 멈추게 된다. 이때 면압 제공벽체(200)의 이동 가능 거리는 가이드 핀부(25)와 핀 삽입부(201)간의 폭 차이 범위 이내로 제한될 수 있다. 또한, 서로 대향하는 가이드 핀부(25) 일측면과 핀 삽입부(201)의 일측면 중 적어도 한쪽에 완충 패드(P2)를 부착될 수 있다. 상기 완충 패드(P2)는 가이드 핀부(25)와 핀 삽입부(201) 간의 접촉에 따른 충격을 완화하고, 가이드 핀부(25)와 핀 삽입부(201)의 내측면 사이에서 압축될 수 있다. 따라서 면압 제공벽체(200), 빔 프레임(23), 가이드 핀부(25) 간의 상대적 위치에 따라 생길 수 있는 조립 공차는 상기 완충 패드(P2)의 압축에 의해 해소될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 대향하는 2개의 빔 프레임(23)들이 각각 대면하는 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200)를 지지하여, 상기 압축 패드(P1)들의 복원력에 대한 반력이 면압 제공벽체(200)에 작용할 수 있다.
따라서 상기 면압 제공벽체(200)의 반력이 셀 유닛(100)들에 작용해 셀 유닛(100)들이 견고하게 홀딩될 수 있다. 그러므로 팩 트레이(22)에 탑재된 각 셀 유닛 그룹(10)은 외부 충격이나 진동에도 구조적으로 안정할 수 있다. 또한, 충방전 작동 중 배터리 셀(110)들의 스웰링 시, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체(200)의 반력으로 배터리 셀(110)들의 팽창을 억제 내지 완화시킬 수 있다.
한편, 다시 도 8 내지 도 9를 참조하면, 팩 트레이(22)의 바닥판(24)은 내부에 냉매가 유동할 수 있는 냉각 채널(26)을 구비하도록 구성될 수 있다. 이러한 바닥판(24) 위에 열전도성 접착제(G)를 도포하고 상기 열전도성 접착제(G) 위에 셀 유닛(100)들이 배치되도록 구성함으로써 배터리 셀(110)들에서 발생한 열이 보다 효과적으로 팩 트레이(22)의 바닥판(24)으로 전도되게 하여 배터리 셀(110)들에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.
도 10은 도 9에 대응하는 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 핀부(25)의 변형예를 도시한 도면이고, 도 11은 도 9에 대응하는 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 면압 제공벽체(200)의 변형예를 도시한 도면이다.
이어서, 상기 도 10과 도 11을 참조하여 본 발명의 변형예들에 대해 간략히 설명하기로 한다.
전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
전술한 팩 트레이(22) 상의 가이드 핀부(25)는, 전술한 실시예와 같이, 반드시 사다리꼴 형태여야 하는 것은 아니다. 상기 가이드 핀부(25)는 사다리꼴 이외에도 다양한 형태로 제작될 수 있다. 예를들면, 도 10에 도시한 바와 같이, 가이드 핀부(28)는 종단면이 아크(arc) 형태로 마련될 수도 있다. 보다 구체적으로, 상기 가이드 핀부(28)는 각도가 90도인 부채꼴 형태의 단면을 가지고, 셀 유닛(100)들을 향하는 면이 상기 팩 트레이(22)의 바닥판(24)과 직각을 이루도록 구성될 수 있다. 그리고 면압 제공벽체(200)의 핀 삽입부(201)는 내부 공간이 사각 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 면압 제공벽체(200)는 안착시 그것의 하단이 상기 가이드 핀부(25)의 원호 부분을 타고 내려올 수 있고, 가이드 핀부(28)의 수직면과 핀 삽입부(201)의 내측면이 상호 간 수평 방향으로 대면하므로 가이드 핀부(28)와 핀 삽입부(201)의 내측면 간에 작용하는 반력이 수평 방향으로 보다 균일하고 안정적으로 작용할 수 있다.
한편, 도 11에 도시한 바와 같이, 변형예에 따른 면압 제공벽체(200)는 상기 면압 제공벽체(200)는, 하단부에 구름 가능하게 결합된 볼 부재(202)를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 압축 패드(P1)들이 압축된 상태로 셀 유닛 그룹(10)이 팩 트레이(22)의 바닥판(24)에 안착된 후 상기 압축 패드(P1)들의 복원력이 작용하여 면압 제공벽체(200)가 빔 프레임(23)을 향해 밀려갈 때, 본 변형예에 따른 면압 제공벽체(200)는 볼 부재(202)의 회전으로 팩 트레이(22)의 바닥판(24)과의 마찰이 거의 없이 이동할 수 있다. 상기 볼 부재(202)는 예컨대 볼 베어링을 구비할 수 있다.
본 변형예에 따른 구성에 의하면, 팩 트레이(22)의 바닥판(24)과 면압 제공벽체(200) 간의 마찰력이 현저히 감소함으로써, 빔 프레임(23)에 의해 면압 제공벽체(200)가 보다 확실하게 지지되고, 또한 면압 제공벽체(200)의 반력이 손실없이 셀 유닛(100)들에 작용하여 셀 유닛(100)들 보다 강하게 구속시킬 수 있다.
한편, 상기 배터리 팩은 제어 모듈(30)을 더 포함할 수 있다. 상기 제어 모듈(30)은 배터리 셀(110)들의 충·방전 동작, SOC(State Of Charge), SOH(State Of Health) 등을 관리하는 BMS(Battery Management System)를 포함하며 팩 케이스(20)의 내부 공간에 장착될 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩은 스위칭 유닛(40)을 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭 유닛(40)은 배터리 팩과 외부 회로와의 전기적 연결을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 스위칭 유닛(40)은 전류 센서, 파워 릴레이, 퓨즈 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 자동차의 동력 에너지원으로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차(V)는, 도 12에 도시한 바와 같이, 전술한 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함할 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 자동차는, 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 전기를 구동원으로 사용하는 소정의 자동차를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩이외에, 자동차에 포함되는 다른 다양한 구성요소, 이를테면 차체나 모터 등을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 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 (15)

  1. 일 방향으로 적층 배열되는 복수 개의 셀 유닛들;과 각 상기 셀 유닛의 일측면 또는 양측면에 부착된 압축 패드;와, 상기 셀 유닛들과 상기 압축 패드를 사이에 두고 이들을 일체로 압박하는 한 쌍의 면압 제공벽체를 포함한 셀 유닛 그룹; 및
    적어도 하나의 상기 셀 유닛 그룹을 수용하는 팩 케이스를 포함하고,
    상기 면압 제공벽체는 하면으로부터 위쪽으로 만입되어 형성된 핀 삽입부를 하단에 구비하고,
    상기 팩 케이스는 바닥판으로부터 돌출 형성되고, 상기 핀 삽입부에 삽입되어 상기 면압 제공벽체를 정위치로 가이드하는 가이드 핀부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상기 바닥판과 상기 바닥판에 수직하게 배치되어 벽체를 형성하는 복수 개의 빔 프레임을 구비한 팩 트레이를 포함하고,
    상기 셀 유닛 그룹은, 상기 압축 패드가 압축된 상태로 상기 팩 트레이에 안착되고,
    상기 한 쌍의 면압 제공벽체 중 하나는 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임 중 하나와 대면하고, 상기 한 쌍의 면압 제공벽체 중 나머지 하나는 서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임 중 나머지 하나와 대면하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    서로 대향하는 2개의 상기 빔 프레임이, 각각 대면하는 상기 면압 제공벽체를 지지하여, 상기 압축 패드의 복원력에 대한 반력이 상기 면압 제공벽체에 작용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가이드 핀부는 상기 빔 프레임과 소정 간격 이격된 위치 구비되고 상기 빔 프레임과 나란한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 핀부는 상기 핀 삽입부보다 폭이 더 작게 마련되어, 상기 핀 삽입부의 내부에서 폭 방향으로 상대이동 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가이드 핀부는,
    종단면이 상협하광의 사다리꼴 형태로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가이드 핀부는, 종단면이 아크(arc) 형태로 마련되고, 상기 셀 유닛들을 향하는 면은 상기 바닥판과 직각을 이루는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 면압 제공벽체는, 하단부에 구름 가능하게 결합된 볼 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 셀 유닛 그룹은, 상기 압축 패드가 압축된 상태로, 상기 바닥판에서 서로 마주하는 2개의 상기 빔 프레임 사이에 안착되고 상기 압축 패드의 압축 상태가 완화되도록 하여 상기 면압 제공벽체가 밀려가나 상기 빔 프레임에 접촉하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 핀부는, 상기 바닥판과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 핀 삽입부는, 내측면에 부착되는 완충 패드를 포함하는 것을 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 셀 유닛은,
    하나 또는 적층된 둘 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 스택; 및
    상기 셀 스택의 폭 방향에 따른 상기 셀 스택의 양쪽 측면부와, 상기 셀 스택의 상부를 커버하도록 마련된 셀 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 바닥판은 그것의 내부에 냉매가 유동할 수 있는 냉각 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항 내지 14항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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