WO2024005394A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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WO2024005394A1
WO2024005394A1 PCT/KR2023/007697 KR2023007697W WO2024005394A1 WO 2024005394 A1 WO2024005394 A1 WO 2024005394A1 KR 2023007697 W KR2023007697 W KR 2023007697W WO 2024005394 A1 WO2024005394 A1 WO 2024005394A1
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battery
unit frame
frame
assembly
unit
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PCT/KR2023/007697
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장병도
이재현
김대길
이형석
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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 housing a plurality of battery assemblies.
  • the size of the battery pack can be freely changed and expanded in accordance with the type, size, number of battery cells, required electric capacity, etc. will be.
  • Battery packs applied to electric vehicles, etc. have a structure in which multiple battery modules including a plurality of secondary batteries are connected in series or parallel to obtain high output.
  • the secondary battery is capable of repeated charging and discharging through electrochemical reactions between components, including positive and negative electrode current collectors, separators, active materials, and electrolyte solutions.
  • the size or specification of the battery pack accommodating the battery cell must be changed.
  • the size or area of the battery pack cannot be freely changed because the standard of the base plate on which the battery cells are mounted is set.
  • the conventional battery pack had a problem in that the freedom of design change was significantly reduced.
  • the present invention is intended to solve the above problems, and its purpose is to provide a battery pack whose size can be freely changed according to required specifications by configuring the battery pack with unit frames that can be used as common parts. .
  • a battery pack includes a plurality of battery assemblies, etc., and a pack housing for accommodating the battery assemblies, wherein the pack housing has a side wall and one side from the bottom of the side wall.
  • each unit frame is an assembly of a plurality of unit frames each having a base portion extending in a direction, wherein the bottom end of the side wall portion of the base portion of one unit frame is sequentially coupled with the end extending in one direction of the base portion of the next unit frame, so that the unit frame is A unit frame assembly formed by combining in a line along a direction; a front frame coupled to the front and rear ends of the unit frame assembly; and a rear frame coupled to the rear end of the unit frame assembly in the front and rear direction, wherein each battery assembly has a lower surface supported on the base of each unit frame and both sides on opposing sidewalls of neighboring unit frames. It is accommodated in each unit frame to be supported.
  • the height of the side wall portion may be higher than the height of the battery assembly.
  • a step portion having a shape that matches the shape of the front end portion of the base portion of the subsequent unit frame is formed at the lower end of the side wall portion of the base portion of the unit frame, and the front end portion of the base portion of the subsequent unit frame portion may be coupled to the step portion.
  • the battery pack may further include a first side frame coupled to the base of the unit frame at the highest end in one direction of the unit frame assembly.
  • the battery assembly accommodated in the top unit frame has a lower surface supported on the base of the top unit frame, and both sides of the battery assembly are supported on the first side frame and the side walls of the top unit frame opposing the first side frame, respectively. It can be supported.
  • the unit frame assembly may further include a second side frame coupled to a side wall portion of the unit frame at the extreme end in one direction.
  • the width of the side wall portion of the unit frame at the extreme end in one direction of the unit frame assembly may be the same as the width of the first side frame.
  • the unit frame at the highest end in one direction of the unit frame assembly may further have a second side wall portion opposite the side wall portion at an end extending in one direction of the base portion.
  • the battery assembly accommodated in the unit frame at the highest end in one direction may have a lower surface supported by a base portion of the foremost unit frame and both sides supported by the side wall portion and the second side wall portion, respectively.
  • the width of the second side wall portion may be larger than the width of the side wall portion of other unit frames.
  • a distance between opposing side walls of neighboring unit frames of the unit frame assembly may be smaller than the width of each battery assembly.
  • the battery assembly may include at least one buffer pad between stacked battery cells.
  • a heat transfer member may be provided between the battery assembly and the base portion.
  • the base portion may have a cooling passage therein, and the front frame and the rear frame may each have a cooling passage communicating with the cooling passage of the base portion.
  • each unit frame includes two or more side wall portions positioned in a row and spaced apart at a predetermined interval along the front-to-back direction, extends in one direction from the bottom of each side wall portion, and has front-to-rear sections. It has one base portion extending long along the column, and the plurality of battery assemblies are arranged in two or more columns along the front and rear directions corresponding to the number of the side wall portions, and the battery assembly in each column is one of each unit frame. It can be accommodated in each unit frame so that its lower surface is supported on the base and both sides are supported on each side wall of neighboring unit frames facing each other and disposed along the front-back direction.
  • the battery pack is located in the gap between the side walls spaced apart in the front and rear directions to partition the battery assembly into columns, and extends laterally along the base portions of each unit frame to be coupled to the unit frame assembly.
  • a center frame may be further included.
  • the pack housing may further include a pack cover that covers the battery assembly and is coupled to the unit frame assembly.
  • the present invention allows the size and area of the battery pack to be freely changed by increasing or decreasing the assembled number of unit frames that can be used as common parts. Therefore, the size of the battery pack can be changed according to the required specifications, greatly improving the design freedom of the battery pack. In addition, the unit production cost of parts can be reduced by converting the unit frame into a standard part or a shared part.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a typical battery module.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a conventional battery pack.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a conventional battery pack structure.
  • Figure 4 is a partially exploded perspective view showing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a battery assembly accommodated in the battery pack of the present invention.
  • Figure 6 is an exploded perspective view of the pack housing of the battery pack of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing the process of combining unit frames, which are components of the battery pack of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic perspective view showing a battery assembly installed in a unit frame according to the present invention.
  • Figure 9 is a front view showing the battery assembly installed in the unit frame according to the present invention.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing the process of installing the battery assembly in the battery pack of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic diagram comparing a conventional battery pack and the battery pack of the present invention.
  • Figure 12 is a partially exploded perspective view showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a perspective view showing a modified example of a unit frame.
  • Figure 14 is a partial exploded perspective view of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the combination of the unit frame of the battery pack and the battery assembly in the embodiment of FIG. 14.
  • Figure 16 is a schematic diagram of a unit frame, which is a component of a battery pack according to a modified example of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a typical battery module
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a conventional battery pack
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the conventional battery pack structure.
  • a typical battery module 10 is provided with a module housing (12: 12A, 12B) that accommodates a plurality of battery cells 11, and a front end plate that covers the front and rear ends of the module housing. (13) and a rear end plate (14). Additionally, a heat transfer member 1 made of a thermally conductive adhesive is positioned between the battery cell and the module housing (see FIG. 3).
  • FIGS. 2 and 3 show a plurality of battery modules 10 installed in the pack housing 21 of the battery pack 20.
  • Each battery module 10 is installed between partition walls 22 provided on the base plate 23 of the pack housing 21.
  • a heat transfer member 1' made of a thermally conductive adhesive or the like is additionally disposed between the battery module and the base plate 23 on which the module is mounted, and a cooling plate 24 is disposed below the base plate 23. It can be.
  • the standard of the base plate 23 is set, so the size or area of the battery pack cannot be freely changed.
  • FIG 4 is a partial exploded perspective view showing a battery pack of an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a schematic diagram of a battery assembly accommodated in the battery pack of the present invention
  • Figure 6 is an exploded perspective view of the pack housing of the battery pack of the present invention
  • Figure 7 is a schematic diagram showing the assembly process of the unit frame, which is a component of the battery pack of the present invention
  • Figures 8 and 9 are schematic perspective and front views showing the battery assembly being installed in the unit frame according to the present invention.
  • directions such as front, back, left, right, up, and down may vary depending on the location of the observer or the arrangement of the object.
  • directions such as front, back, left, right, up, and down are indicated separately based on the view from the direction of arrow F in FIG. 4. That is, the front and rear direction is defined as the X direction, the left and right direction is defined as the Y direction, and the height direction is defined as the Z direction.
  • a battery pack according to an embodiment of the present invention may include a plurality of battery assemblies and a pack housing that accommodates the battery assemblies.
  • the battery assembly may include a plurality of battery cells.
  • the battery cells can be classified into pouch-type battery cells and can-type battery cells depending on the shape of the case.
  • Can-type battery cells may include cylindrical battery cells and prismatic battery cells.
  • each of the battery cells includes an electrode assembly built into the battery case.
  • the electrode assembly includes an anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode.
  • Electrode assemblies can be classified into jelly-roll type and stack type depending on the assembly type.
  • a jelly-roll type electrode assembly is made by winding an anode, a cathode, and a separator sandwiched between them.
  • a stack-type electrode assembly is one that sequentially stacks an anode, a separator, and a cathode.
  • the battery assembly may be a battery module 10 having a module housing accommodating a plurality of battery cells as shown in FIG. 1 .
  • the battery module may have a portion of the module housing accommodating the battery cell removed.
  • a battery module having a module housing in which the upper housing 12A is removed or the bottom of the lower housing 12B is removed can also be a battery assembly of the present invention.
  • a battery cell stack in which the module housing itself surrounding the top, bottom, left, and right sides of a plurality of battery cells is removed can also be a battery assembly.
  • a battery cell stack in which a plurality of battery cells 110 are stacked that is, a cell stack unit unit 100 is used as the battery assembly.
  • the battery cells 110 are stacked so that their sides are in contact with each other, and the sides of neighboring battery cells 110 can be fixed to each other using double-sided tape.
  • a plurality of stacked battery cells 110 may be tied together with a band 111 to form one cell stack unit unit 100 (see FIG. 5(a)).
  • the cell stack unit unit 100 may be configured to be stacked in the left-right direction (or horizontal direction), as shown in FIG. 4. However, if necessary, it is also possible to configure the battery cells 110 to be stacked in the vertical direction (height direction).
  • the bus bar assembly 120 may be coupled to the electrode leads at the front and rear ends of the cell stack unit unit 100.
  • the bus bar assembly 120 may include an interbus bar 121 that electrically connects battery cells or a terminal bus bar 122 that can be connected to an external power source.
  • the number of battery cells 110 stacked in one cell stack unit 100 may be, for example, 2, 4, 6, or 8, but is not limited thereto.
  • the cell stack unit unit 100 may include at least one buffer pad 130 between stacked battery cells 110 (see FIG. 5(b)).
  • the buffer pad is used to absorb expansion of the battery cell 110 due to a swelling phenomenon.
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to configure the battery assembly with, for example, a can-type battery cell.
  • the pack housing 1100 of the present invention may include a unit frame assembly 200, and a front frame 300 and a rear frame 400 respectively coupled to the front and rear ends of the unit frame assembly 200. there is.
  • the present invention includes a plurality of unit frames 210 supporting the lower surface and one side of the battery assembly, and sequentially combines the unit frames like Lego blocks to increase the bottom area of the battery pack 1000 as necessary. and can be reduced. That is, the unit frame assembly 200 can function as a base plate and partition wall of a conventional battery pack.
  • the unit frame 210 has a side wall portion 211 extending in the height direction, and a side wall portion extending along one direction (one of the left and right directions) from the lower end 211b of the side wall portion. It is provided with a base portion (212).
  • the side wall portion 211 has end portions 211a and 211b in the upper and lower height direction, respectively.
  • the base portion 212 extends to the left and right and has both ends 212a and 212b in the horizontal direction.
  • the right end 212b of the base 212 is connected to the lower end 211b of the side wall.
  • the base portions of the unit frames are sequentially combined in a row along one direction to form the unit frame assembly 200.
  • the unit frame 210 is moved laterally (left and right) by sequentially combining the lower end 212b of the side wall of the base of one unit frame with the unilaterally extending end 212a of the base of the subsequent unit frame. ) are combined in line along the line to form the unit frame assembly 200.
  • the base portion 212 supports the lower surface of each battery assembly. Accordingly, the combined base portions form the base plate of a conventional battery pack. If the number of unit frames 210 combined increases or decreases, the unit frame assembly 200 may become larger or smaller in the lateral direction. That is, the floor area of the battery pack 1000 composed of the base parts can be changed as needed.
  • the side wall portion 211 of the unit frame 210 functions like a partition dividing battery modules in a conventional battery pack. That is, by sequentially combining the unit frames 210 in the lateral direction as shown in FIG. 7, the side wall portions 211 of neighboring unit frames 210 are arranged to face each other. A battery assembly, such as a battery module 10 or a cell stack unit unit 100, may be placed in the space between the opposing side wall portions 211. Accordingly, by sequentially combining the unit frames 210 in the lateral direction, the area of the floor on which the battery assembly is placed increases, and the number of partitions dividing the battery assembly can also naturally be increased.
  • the size of the battery pack can be adjusted to meet various requirements by combining the unit frames laterally in different numbers, like Lego blocks. Accordingly, the electric capacity of the battery pack can be freely adjusted to meet the required performance. Therefore, according to the present invention, the design freedom of the battery pack can be significantly increased.
  • the battery assemblies have a certain width in the cell stacking direction (parallel to the left and right directions) and extend long in the longitudinal direction (parallel to the front and back directions) to have a certain length.
  • each cell stack unit unit 100 is accommodated in a space between neighboring unit frames 210 of the unit frame assembly 200. That is, the lower surface of each cell stack unit unit 100 is supported on the base portion 211 of each unit frame 210.
  • the cell stack unit unit 100 is installed in the unit frame assembly such that both sides in the width direction of the cell stack unit unit 100 are supported on opposing side wall portions 212 of neighboring unit frames 210, respectively. It is accommodated in each unit frame 210 of 200.
  • the battery module 10 of FIG. 1 When the battery module 10 of FIG. 1 is applied as a battery assembly, the battery module 10 is accommodated in the space between neighboring unit frames 210. Additionally, the lower surface of the battery module 10 (lower surface of the lower housing 12B) is supported on the base portion 211 of each unit frame 210. In addition, the battery module 10 is configured so that both sides of the battery module 10 in the width direction (both sides of the lower housing 12B) are supported on opposing side wall portions 212 of neighboring unit frames 210, respectively. It is accommodated in each unit frame 210 of the unit frame assembly 200.
  • the unit frame 210 extends to a certain length along the front-to-back direction. That is, the side wall portion 211 and the base portion 212 extend along the front-to-back direction.
  • the front-to-back length of the side wall portion and the base portion is determined to sufficiently accommodate the front-to-back length of the battery assembly. That is, the front-to-back length of the unit frame 210 is determined according to the length of the battery cells 110 constituting the battery assembly.
  • the length of the unit frame 210 may be made correspondingly longer in the front-to-back direction.
  • the present invention not only changes the size of the bottom of the battery pack in the lateral direction by increasing or decreasing the number of unit frames 210 combined in the lateral direction, but also changes the size of the bottom of the battery pack in the front and rear directions depending on the length of the battery assembly or the number of longitudinal arrays.
  • the bottom size of the battery pack can be increased in the longitudinal direction by increasing the length of the unit frame 210.
  • the side wall portion 211 of the unit frame 210 may be formed to be higher than the height of the battery assembly, for example, the cell stack unit unit 100. As a result, the side wall portion 211 can stably support the side of the battery assembly.
  • the side wall portion 211 and the base portion 212 may be manufactured by integrally molding. Alternatively, it is also possible to manufacture the unit frame 210 by arranging two flat plates in a vertical direction so that their ends are in contact and welding the ends of the flat plates in contact.
  • the unit frame 210 can be manufactured as a hollow frame by extruding a metal material such as aluminum to form an empty space (H, f1) inside.
  • a metal material such as aluminum
  • the unit frames in this way can be hollow, the weight of the battery pack can be reduced and energy efficiency can be increased. Additionally, by forming a rib-shaped partition wall in the internal space, the mechanical rigidity of the frames can be maintained at a reliable level.
  • the hollow space formed in the unit frame 210 can also be used as a passage for cooling fluid or as a venting channel for venting gas generated within the battery pack.
  • the unit frames may be joined to each other by welding, such as friction stir welding.
  • a step portion P of a shape matching the shape of the front end 212a of the unit frame base portion following the bottom end 212b of the side wall portion of the base portion 212 of the unit frame 210 is formed. It can be. That is, as shown in FIGS. 7 and 9, a step portion P is provided at the lower end 212b of the side wall of the base (or the lower end of the side wall 211b connected to the end of the base). The shape of this step portion is designed to engage with the shape of the front end portion 212a of the subsequent unit frame base portion.
  • the bonding strength of the unit frame 210 can be increased by combining laterally neighboring base portions 212 so as to engage each other at the step portion P.
  • the coupling surface of the step portion (P) and the base portion can support the load of the side wall portion 211 of the unit frame and the battery assembly in the height direction, there is an advantage that the load of the battery assembly can be appropriately distributed. there is.
  • the front frame 300 is coupled to the front and rear ends of the unit frame assembly 200. Additionally, a rear frame 400 is coupled to the rear end of the unit frame assembly 200 in the front-to-back direction.
  • the front frame and the rear frame cover the front and back of the battery assembly and are coupled to the unit frame assembly 200. Accordingly, the receiving space of the battery assembly is formed by the base portion 212 of the unit frame, the opposing side wall portion 211 of the neighboring unit frame, the front frame 300, and the rear frame 400.
  • the front frame 300 extends long in the left and right directions and may be erected in the height direction.
  • the front frame may include a front cover portion 310 extending in the height direction, and a front plate portion 320 protruding forward from the lower portion of the front cover portion 310.
  • the front plate 320 may be fixedly coupled to a structure such as a vehicle.
  • the rear frame 400 extends long in the left and right directions and may be erected in the height direction.
  • the rear frame may have the same or different form as the front frame.
  • the rear frame has the same shape as the front frame, including a rear cover part 410 extending in the height direction and a rear plate part 420 protruding rearward from the lower part of the rear cover part 410.
  • the rear plate portion 420 may be fixedly coupled to a structure such as a vehicle.
  • the height of the front cover part and the rear cover part may be the same as the height of the side wall part 211 of the unit frame.
  • the unit frame 210 at the highest end in one direction of the unit frame assembly 200 has an open base end. Therefore, the battery assembly cannot be accommodated on the base portion of the uppermost unit frame 210.
  • the base portion of the top unit frame 210 can be used as a coupling portion to be coupled to a structure such as a vehicle.
  • the left and right lengths of the front frame 300 and the rear frame 400 coupled to the unit frame assembly 200 extend from the most extreme unit frame in one direction to the side wall of the most extreme unit frame in one direction. can do.
  • the top unit frame 210 may also include, for example, a first side frame 500 coupled to the base of the top unit frame 210 to accommodate a battery assembly.
  • the first side frame 500 may have a shape extending long in the front-to-back direction.
  • the front-to-back length of the first side frame 500 may be the same as the front-to-back length of the unit frame 210.
  • the first side frame 500 may be coupled to the base end of the highest end unit frame 210 and cover the highest end of the unit frame assembly 200 in one direction. Accordingly, a battery assembly can be additionally accommodated in the space formed by the first side frame 500 and the top unit frame 210.
  • the lower surface of the battery assembly is supported on the base of the top unit frame 210, and both sides are formed by the first side frame 500 and the side wall portion 211 of the top unit frame 210 opposing it. ) are respectively supported.
  • the length of the front frame 300 and the rear frame 400 in the left and right directions may extend from the last unit frame 210 in one direction to the first side frame 500.
  • the accommodating space for the battery assembly at the highest end in one direction is formed by the base portion 212 of the highest unit frame 210, the first side frame 500, the front frame 300, and the rear frame 400. is formed
  • the height of the first side frame 500 may be the same as the height of the front frame 300 and the rear frame 400.
  • the first side frame 500, front frame 300, and rear frame 400 can also be manufactured as hollow frames with a space formed inside. Thereby, the weight of the battery pack can be further reduced. Additionally, by forming a rib-shaped partition wall in the internal space, the mechanical rigidity of the frames can be maintained at a reliable level.
  • the pack housing 1100 may further include a pack cover 600 that covers the battery assembly and is coupled to the unit frame assembly 200.
  • the lower edge of the pack cover 600 includes the front frame 300, the rear frame 400, the first side frame 500, and the last side wall portion of the unit frame assembly 200 ( 211) can be combined at the top of each.
  • the base portion 212 of the unit frame 210 may have a cooling passage f1 therein.
  • a space may be formed inside the base portion depending on the direction in which the extruded member moves.
  • the internal space may be divided into a plurality of hollow channels by partition walls such as ribs.
  • a separate cooling passage may be installed in at least one of these hollow channels, or the hollow channel itself may be used as a cooling passage.
  • the present invention can configure a unit frame assembly 200 provided with a cooling passage f1 extending in the front and rear direction along the base portion 212.
  • a cooling passage f1 extending in the front and rear direction along the base portion 212.
  • the battery assembly can be effectively cooled.
  • the base portion of the unit frame 210 has an integrated cooling structure, there is no need to install a separate cooling plate in the base portion as in the past. As a result, the height of the battery pack 1000 can be reduced to make the battery pack more compact.
  • the front frame 300 and the rear frame 400 may each be provided with cooling passages f2 and f3 communicating with the cooling passages of the base portion.
  • one of the front frame and the rear frame may be provided with a refrigerant inlet and a refrigerant outlet that communicate with the cooling passage.
  • a refrigerant inlet may be formed in one of the front frame and the rear frame, and a refrigerant outlet may be formed in the other.
  • the battery pack of the present invention has various designs of cooling paths leading to the cooling passage f2 of the front frame 300, the cooling passage f1 of the unit frame assembly 200, and the cooling passage f3 of the rear frame. can do.
  • a heat transfer member (R) may be provided between the battery assembly and the base portion 212.
  • the heat transfer member R may include at least some of heat conductive grease, heat conductive adhesive, heat conductive epoxy, and heat dissipation pad, but is not limited thereto.
  • the heat transfer member (R) serves to fix the lower surface of the battery assembly to the base of the unit frame assembly 200, so it can be configured to have an adhesive force of a certain level or more. By the heat transfer member (R), heat is easily transferred to the base portion provided with the cooling passage, so that heat dissipation of the battery pack can be effectively achieved.
  • Figure 10 is a schematic diagram showing the process of installing the battery assembly in the battery pack of the present invention
  • Figure 11 is a schematic diagram comparing a conventional battery pack and the battery pack of the present invention.
  • the distance between the side wall portions 211 of neighboring unit frames of the unit frame assembly 200 may be smaller than the width of each battery assembly.
  • the distance between the side wall portions 211 may be made smaller than the width of the cell stack unit 100.
  • the cell stack unit unit 100 is compressed in the width direction (battery cell stacking direction) and adjacent unit frames ( It must be inserted between the side wall portions 211 of 210).
  • the buffer pad 130 is compressed, so that the cell stack unit unit 100 can be easily compressed.
  • a cell stack unit when applied, it has a so-called cell-to-pack structure in which battery cells are directly accommodated in the pack housing without a module housing, thereby eliminating processes and costs associated with producing and assembling module parts.
  • the assembly tolerance required for module installation can be eliminated, the space within the pack in the height direction can be made more compact, and the weight of the battery pack can be reduced, so the energy density occupied by the same battery pack space can be further improved.
  • the battery cell 110 when the battery cell 110 is accommodated in a battery pack, there is no need to provide an assembly tolerance (G) required when using a conventional battery module.
  • the cell stack unit unit 100 can be compressed and inserted between side wall portions of opposing unit frames 210. Accordingly, the space of the battery pack can be saved in the left and right directions, and more battery cells 110 can be installed in the same space, thereby improving energy density.
  • the length of the base portion 212 of the unit frame 210 in the left and right directions is within a range such that the distance between the side wall portions 211 of neighboring unit frames 210 is smaller than the width of each cell stack unit unit 100. It can be decided in That is, the length of the base portion in the left and right directions can be appropriately determined in consideration of the insertion space of the cell stack unit unit 100.
  • the battery assembly of the present invention can be firmly fixed by inserting both sides into opposing side walls of neighboring unit frames 210.
  • it is fixed to the base of the unit frame 210 by a heat transfer member such as a thermally conductive adhesive provided on the lower surface of the battery assembly. Therefore, according to the present invention, the battery assembly can be firmly coupled to each unit frame 210 without a separate fastening member, so there is an advantage that the overall assembly is improved.
  • Figure 11 clearly shows the advantages of using the cell stack unit 100 as a battery assembly.
  • the cell stack unit 100 is directly accommodated in the pack housing without a module housing. Therefore, there is no need to provide an assembly tolerance when accommodating a module in a pack, as in the case of the battery module in Figure 11(a), and the left and right widths can be reduced by the thickness of the module housing.
  • the heat transfer member (R) is sufficient at one location between the cell stack unit unit 100 and the base portion 212, thereby saving material and simplifying the cooling path to increase heat dissipation efficiency. It can be improved.
  • the base portion 212 has an integrated cooling structure with a cooling passage, a cooling plate is not required.
  • some unit frames included in the unit frame assembly 200 can accommodate electrical equipment assemblies (not shown) without installing a battery assembly.
  • the electrical assembly can accommodate relay devices, current sensors, fuses, BMS, and MSD (Manual Service Disconnector). These electrical equipment assemblies can be packaged within the battery pack together with the battery assemblies so that they are not exposed to the outside.
  • Figure 12 is an exploded perspective view showing a battery pack of another embodiment of the present invention
  • Figure 13 is a perspective view showing modified examples of the unit frame.
  • the embodiment of FIG. 12 further includes a second side frame 500' coupled to the side wall of the unit frame 210 at the extreme end in one direction of the unit frame assembly 200. .
  • the side wall portion 211 of the last unit frame 210 is thin, so it includes a second side frame 500' covering the right side of the battery pack.
  • the length and height of the second side frame 500' may be the same as those of the first side frame 500.
  • the side wall portion of the last unit frame 210 and the second side frame 500' are combined to form the right wall of the battery pack, so that the second side frame 500' is equal to the thickness of the side wall portion.
  • the width can be made smaller than the width of the first side frame 500.
  • the battery assembly (e.g., cell stack unit unit 100) can be accommodated in the unit frame 210 at the forefront in one direction of the unit frame assembly 200. It is provided with a first side frame 500 that can cover one side of the assembly.
  • the left portion of the drawing of FIG. 13 shows a unit frame 211 in which, instead of the first side frame, the top unit frame 210 itself is provided with a second side wall portion 214 in a shape capable of accommodating the battery assembly.
  • the top unit frame 210 of this embodiment further has a second side wall portion 214 at an end extending in one direction of the base portion 212, which faces the side wall portion.
  • the top unit frame 210 unlike the subsequent unit frames 210, has side wall portions 211 and 214 on both sides of the base portion, respectively.
  • the battery assembly is connected to the top unit so that the lower surface of the battery assembly is supported on the base of the top unit frame 210, and both sides are supported on the side wall portion 211 and the second side wall portion 214, respectively. It can be accommodated in the frame 210. Since the second side wall portion 214 forms the left wall of the battery pack, the width of the second side wall portion may be larger than the width of the side wall portion of the other unit frame 210. For example, the width of the second side wall portion may be the same as the width of the first side frame.
  • the right portion of the drawing of FIG. 13 shows an example in which the width of the side wall of the last unit frame 210 of the unit frame assembly 200 is the same as the width of the first side frame. That is, in this example, the second side frame 500' is not coupled to the side wall portion of the last unit frame 210, but the width of the side wall portion of the last unit frame 210 itself is increased. Therefore, unlike the normal side wall portion, the side wall portion 216 of the last unit frame is indicated by different reference numerals.
  • the unit frame 210 can be composed of three types of dedicated parts. That is, there are three types (T3): a unit frame (T1) having a normal side wall portion and a base portion, a top unit frame (T2) having a second side wall portion (214), and a bottom unit frame having a large side wall width (T3).
  • T3 three types
  • the unit frame assembly 200 can be formed by appropriately combining these unit frames.
  • various types of unit frames can be standardized and manufactured in advance, so, for example, there is no need to separately couple the first side frame 500 to the highest unit frame.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a battery pack according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is a view showing a combination of a unit frame and a battery assembly of the battery pack according to the embodiment of FIG. 14.
  • a plurality of battery assemblies are arranged side by side in a plurality of columns along the lateral direction (left and right directions) and accommodated in each unit frame 210.
  • FIG. 14 shows a structure of the battery pack 200 that can accommodate the battery assemblies when they are arranged in two or more rows along the front-back direction.
  • FIG. 15 is an example of the unit frame 210 of this battery pack structure and shows the shape of the unit frame 210 when arranged in two rows along the front-back direction of the battery assembly.
  • the side wall portion 221 of the unit frame 220 has two side wall portions 221A and 221B positioned in a row, spaced apart at a predetermined interval along the front-back direction.
  • the base portion 222 extends in one direction from the bottom of each side wall portion and extends long along the front and rear directions. That is, in this embodiment, the side wall portions are provided in the same number as the number of rows of the battery assembly (eg, cell stack unit unit 100). Accordingly, the lower surfaces of the two rows of battery assemblies are supported by one base portion 222.
  • One side of the battery assembly in each row is supported by two side wall portions 221A and 221B of the unit frame 220, respectively. As shown in FIG.
  • a space in which the two rows of battery assemblies are accommodated is formed between the side walls of the opposing unit frames 220.
  • the width of the two rows of battery assemblies can be compressed as shown in FIG. 10 and inserted between opposing side walls. Accordingly, the battery assemblies in each row are accommodated in the space so that their lower surfaces are supported by one base portion 222 of the unit frame 220. In this case, both sides of the unit units 100 in each row are supported by respective side walls of neighboring unit frames 220 that face each other and are disposed along the front-back direction.
  • FIG. 14 shows that battery assemblies arranged in two rows in the front-back direction are arranged side by side in a plurality in the lateral direction and are accommodated in each unit frame 210.
  • the battery assembly in rows and columns in the front-to-back and lateral directions, the number of battery cells accommodated in the battery pack 2000 can be greatly increased. Accordingly, a larger and higher capacity battery pack can be constructed. Therefore, according to this embodiment, the bottom area of the battery pack can be further increased, allowing greater freedom in designing the battery pack.
  • the side wall portions 221A and 221B of each unit frame 220 are spaced apart from each other at a predetermined distance S in the front-back direction. Firstly, this is to avoid interference with each other by dividing the battery assemblies in the front and rear rows. Second, this is to partition the battery assembly in the gap S between the spaced side walls 221A and 221B and to install a reinforcing member capable of reinforcing the structural rigidity of the battery pack.
  • a reinforcing member is needed to reinforce the rigidity of the unit frame 220 or the battery pack in the front-to-back direction (longitudinal direction).
  • a center frame 250 as a reinforcing member extends laterally along the base portions of each unit frame 220 and is coupled to the unit frame assembly 200'. The center frame 250 naturally divides the battery assemblies of the front and rear rows.
  • the center frame 250 can reinforce the rigidity of the battery pack 2000 and firmly support the battery assembly.
  • Figure 16 is a schematic diagram of a unit frame, which is a component of a battery pack according to a modified example of the present invention.
  • Figure 16 shows that the side wall portions 231 of the unit frame 230 are arranged in three rows (231A, 231B, 231C) at predetermined intervals along the front and rear directions.
  • three rows of battery assemblies e.g., cell stack unit units 100
  • the floor area of the unit frame assembly and the battery pack in the front-to-back direction is further increased.
  • the number of battery assemblies required is determined depending on the installation space of the vehicle and the required capacity of the battery pack. Accordingly, the set number of battery assemblies can be appropriately arranged by dividing them into rows and columns along the lateral and front-back directions of the battery pack.
  • the unit frame assembly or the bottom of the battery pack can be easily changed according to the number of battery assemblies required in the lateral direction.
  • the length of the unit frame in the front-to-back direction can be increased to correspond to the number of rows of the battery assembly required in the front-to-back direction, and, as in the present embodiment, the number of side wall portions can also be adjusted to match the number of each row.
  • the bottom area of one battery pack can be freely changed in response to a variety of required design standards, so a highly versatile battery pack can be manufactured.
  • two gaps S1 and S2 are formed between the side walls of the unit frame 230 where three rows of battery assemblies can be placed.
  • Two center frames 250 can be placed in this gap. That is, even if the heat of the battery assembly increases in the front-to-back direction, the rigidity of the battery pack can be strengthened by appropriately arranging the center frame 250 on the base portion 232 in the gap between the side wall portions.

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Abstract

본 발명은 복수개의 배터리 어셈블리와 이를 수용할 수 있는 팩 하우징을 포함하고, 상기 팩 하우징이 측방향을 따라 일렬로 결합될 수 있는 단위프레임 어셈블리를 포함함으로써, 배터리 팩의 바닥부 면적을 자유롭게 확장할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 배터리 팩은 배터리 모듈 없이 배터리 어셈블리를 직접 팩 하우징 내에 수용함으로써, 구조가 간소화되고 부품 개수 및 부품이 차지하는 공간을 줄일 수 있다. 이에 의하여 제조원가를 줄일 수 있고, 배터리 팩의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있는 배터리 팩을 제공한다.

Description

배터리 팩
본 발명은 복수개의 배터리 어셈블리들을 수용하는 배터리 팩에 관한 것이다.
보다 상세하게는 공용부품으로 사용 가능한 단위프레임들로 배터리 팩을 구성함으로써, 배터리 셀의 종류, 크기, 개수, 필요한 전기 용량 등에 대응하여 배터리 팩의 크기를 자유롭게 변경 및 확장할 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2022.06.27.자 한국 특허 출원 제10-2022-0078225호 및 2023.06.01. 자 한국 특허 출원 제10-2023-0070836호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 이차전지를 포함하는 다수의 배터리 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 상기 이차전지는 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
그러나, 종래의 배터리 팩은 다음과 같은 문제를 가지고 있다.
배터리 셀의 종류나 크기가 달라질 경우, 혹은 배터리 셀의 개수를 증감하여 배터리 팩의 용량을 변경할 필요가 있는 경우에, 상기 배터리 셀을 수용하는 배터리 팩의 크기나 규격을 변경하여야 한다. 그러나, 종래의 배터리 팩은 배터리 셀들이 안착되는 베이스판의 규격이 정해져 있어 배터리 팩의 크기나 면적을 자유롭게 변경할 수 없었다. 특히, 새롭게 출시되는 자동차의 종류에 따라 새로운 사양 및 용량의 다종다양한 배터리 팩을 제작할 필요가 있는 경우, 이에 대응하기 곤란하였다. 즉, 종래의 배터리 팩은 설계 변경의 자유도가 현저하게 떨어지는 문제가 있었다.
따라서, 배터리 셀 또는 상기 셀이 사용되는 자동차 등의 종류에 따라 크기 나 면적을 자유롭게 변경할 수 있는 기술의 개발이 요망된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국공개특허 제10-2022-0014027호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공용부품으로 사용 가능한 단위프레임들로 배터리 팩을 구성함으로써, 요구 사양에 따라 배터리 팩의 크기를 자유롭게 변경할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수의 배터리 어셈블리등과, 상기 배터리 어셈블리들을 수용하는 팩 하우징을 포함하고, 상기 팩 하우징은 측벽부와 상기 측벽부 하단으로부터 일측방향으로 연장되는 베이스부를 각각 가지는 복수개의 단위프레임의 어셈블리로서, 하나의 단위프레임의 베이스부의 측벽부 하단측 단부가 후속 단위프레임 베이스부의 일측방향 연장 단부와 차례차례 결합하는 것에 의하여 상기 단위프레임이 측방향을 따라 일렬로 결합되어 이루어지는 단위프레임 어셈블리; 상기 단위프레임 어셈블리의 전후방향 전단에 결합되는 전방프레임; 및 상기 단위프레임 어셈블리의 전후방향 후단에 결합되는 후방프레임을 포함하며, 각각의 배터리 어셈블리는, 각각의 단위프레임의 베이스부에 하부면이 지지되고, 이웃하는 단위프레임의 대향하는 측벽부에 양측면이 지지되도록 각 단위프레임에 수용된다.
상기 측벽부의 높이는, 상기 배터리 어셈블리의 높이보다 높을 수 있다.
또한, 상기 단위프레임의 베이스부의 측벽부 하단측 단부에 후속 단위프레임 베이스부의 전방측 단부 형상과 정합하는 형상의 단차부가 형성되고, 상기 단차부에 후속 단위프레임 베이스부의 전방측 단부가 결합될 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은, 상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최선단의 단위프레임의 베이스부에 결합되는 제1 사이드프레임을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 최선단 단위프레임에 수용되는 배터리 어셈블리는, 하부면이 상기 최선단 단위프레임의 베이스부에 지지되고, 양측면이 상기 제1 사이드프레임과 이에 대향하는 최선단 단위프레임의 측벽부에 각각 지지될 수 있다.
또한, 상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최후단의 단위프레임의 측벽부에 결합되는 제2 사이드프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최후단의 단위프레임의 측벽부 폭은 상기 제1 사이드프레임의 폭과 동일할 수 있다.
상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최선단의 단위프레임은, 상기 베이스부의 일측방향 연장 단부에 상기 측벽부에 대향하는 제2 측벽부를 더 가질 수 있다.
상기 일측방향 최선단의 단위프레임에 수용되는 배터리 어셈블리는, 하부면이 상기 최선단 단위프레임의 베이스부에 지지되고, 양측면이 상기 측벽부 및 제2 측벽부에 각각 지지될 수 있다.
상기 제2 측벽부의 폭은 다른 단위프레임의 측벽부 폭보다 클 수 있다.
또한, 상기 단위프레임 어셈블리의 이웃하는 단위프레임의 대향하는 측벽부 사이 거리는, 상기 각 배터리 어셈블리의 폭보다 작을 수 있다.
상기 배터리 어셈블리는, 적층된 배터리 셀 사이에 적어도 하나의 완충패드를 포함할 수 있다.
상기 배터리 어셈블리와 상기 베이스부 사이에 열 전달부재가 구비될 수 있다.
또한, 상기 베이스부는 냉각 유로를 내부에 구비할 수 있으며, 상기 전방프레임 및 후방프레임은 상기 베이스부의 냉각유로에 연통하는 냉각 유로를 각각 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 배터리 팩에 있어서, 각각의 단위프레임은, 전후방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되어 일렬로 위치하는 2개 이상의 측벽부와 상기 각 측벽부 하단으로부터 일측방향으로 연장되고 또한 전후방항을 따라 길게 연장되는 하나의 베이스부를 가지며, 상기 복수개의 배터리 어셈블리는 상기 측벽부의 개수에 대응하여 전후방향을 따라 2개 이상의 열로 배치되고, 각각의 열의 배터리 어셈블리는, 각각의 단위프레임의 하나의 베이스부에 그 하부면이 지지되고, 이웃하는 단위프레임의 서로 대향하며 전후방향을 따라 배치된 각각의 측벽부에 양측면이 지지되도록 각 단위프레임에 수용될 수 있다.
이 경우, 상기 배터리 팩은, 전후방향으로 이격된 측벽부 사이 간격에 위치하여 상기 배터리 어셈블리를 열 단위로 구획하며, 각 단위프레임의 베이스부들을 따라 측방향으로 연장되어 상기 단위프레임 어셈블리에 결합되는 센터프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 팩 하우징은, 상기 배터리 어셈블리를 덮으며 상기 단위프레임 어셈블리에 결합되는 팩 커버를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 공용 부품으로 사용 가능한 단위프레임의 조립 개수를 증감함으로써, 배터리 팩의 크기 및 면적을 자유롭게 변경할 수 있다. 따라서, 요구되는 사양에 따라 배터리 팩의 크기를 변경할 수 있어 배터리 팩의 설계 자유도가 크게 향상된다. 또한, 단위프레임을 표준 부품화, 혹은 공용 부품화하여 부품 생산단가를 낮출 수 있다.
도 1은 통상적인 배터리 모듈의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 배터리 팩의 개략도이다.
도 3은 종래의 배터리 팩 구조의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 배터리 팩을 나타내는 일부 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 배터리 팩에 수용되는 배터리 어셈블리의 개략도이다.
도 6은 본 발명 배터리 팩의 팩 하우징의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명 배터리 팩의 구성요소인 단위프레임의 결합과정을 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 단위프레임에 배터리 어셈블리가 설치되는 모습을 나타낸 개략사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 단위프레임에 배터리 어셈블리가 설치되는 모습을 나타낸 정면도이다.
도 10은 본 발명의 배터리 팩에 배터리 어셈블리가 설치되는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 11은 종래의 배터리 팩과 본 발명의 배터리 팩을 대비한 개략도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 일부 분해사시도이다.
도 13은 단위프레임의 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 팩의 일부 분해사시도이다.
도 15는 도 14의 실시예의 배터리 팩의 단위프레임과 배터리 어셈블리의 결합도이다.
도 16은 본 발명의 변형예에 따른 배터리 팩의 구성요소인 단위프레임의 개략도이다.
(부호의 설명)
10: 배터리 모듈
100: 셀 적층체 단위유닛
110: 배터리 셀
120: 버스바 어셈블리
121: 인터버스바
122: 터미널 버스바
130: 완충패드
200,200': 단위프레임 어셈블리
210,220,230,T1,T2,T3; 단위프레임
211,221,231: 측벽부
212,222,232: 베이스부
250: 센터프레임
300: 전방프레임
400; 후방프레임
500: 제1 사이드프레임
500': 제2 사이드프레임
600: 팩 커버
1100,2100: 팩 하우징
1000,2000: 배터리 팩
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.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
(제1 실시형태)
도 1은 통상적인 배터리 모듈의 구조를 나타내는 개략도이고, 도 2는 종래의 배터리 팩의 개략도이고, 도 3은 종래의 배터리 팩 구조의 개략 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 배터리 모듈(10)은 복수개의 배터리 셀(11)을 수용하는 모듈 하우징(12: 12A,12B)을 구비하고, 모듈 하우징의 전단과 후단을 커버하는 전단부판(13)과 후단부판(14)을 구비하고 있다. 또한, 상기 배터리 셀과 모듈 하우징 사이에는 열전도성 접착제 등으로 이루어지는 열전달부재(1)가 위치한다(도 3 참조).
도 2 및 도 3에는 이러한 복수개의 배터리 모듈(10)이 배터리 팩(20)의 팩 하우징(21)에 설치된 것을 나타내고 있다. 각각의 배터리 모듈(10)은 팩 하우징(21)의 베이스판(23)에 구비된 격벽(22) 사이에 설치된다. 또한, 상기 배터리 모듈과 상기 모듈이 탑재되는 베이스판(23) 사이에는 열전도성 접착제 등으로 이루어지는 열전달부재(1')가 추가적으로 배치되고, 상기 베이스판(23) 하부에는 냉각판(24)이 배치될 수 있다.
이러한 종래의 배터리 팩은 베이스판(23)의 규격이 정해져 있어 배터리 팩의 크기나 면적을 자유롭게 변경할 수 없었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 배터리 팩을 나타내는 일부 분해사시도이고, 도 5는 본 발명의 배터리 팩에 수용되는 배터리 어셈블리의 개략도이고, 도 6은 본 발명 배터리 팩의 팩 하우징의 분해사시도이고, 도 7은 본 발명 배터리 팩의 구성요소인 단위프레임의 결합과정을 나타내는 개략도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 단위프레임에 배터리 어셈블리가 설치되는 모습을 나타낸 개략사시도 및 정면도이다.
본 명세서에서 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어는 관측자의 위치나 대상의 배치 형태에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 도 4의 화살표(F)방향에서 바라볼 때를 기준으로 하여, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하여 나타내기로 한다. 즉, 전후방향은 X방향, 좌우방향은 Y방향, 높이방향은 Z방향으로 규정하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수개의 배터리 어셈블리와, 상기 배터리 어셈블리를 수용하는 팩 하우징을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 배터리 어셈블리는, 복수개의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀은 케이스의 형태에 따라 파우치형 배터리 셀, 캔형 배터리 셀로 구분할 수 있다. 캔형 배터리 셀은 원통형 배터리 셀과 각형 배터리 셀을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 셀들 각각은 배터리 케이스에 내장되는 전극 어셈블리를 포함한다. 상기 전극 어셈블리는 양극, 음극, 및 양극와 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 전극 어셈블리는 조립 형태에 따라 젤리-롤 타입 및 스택 타입으로 분류될 수 있다. 젤리-롤 타입의 전극 어셈블리는 양극, 음극, 및 그들 사이에 개재된 분리막을 권취한 것이다. 스택 타입의 전극 어셈블리는 양극, 분리막, 음극을 순차로 적층한 것이다.
상기 배터리 어셈블리는, 도 1과 같이 복수개의 배터리 셀을 수용하는 모듈 하우징을 구비한 배터리 모듈(10)일 수 있다. 상기 배터리 모듈은 배터리 셀을 수용하는 모듈 하우징의 일부가 제거된 형태일 수 있다. 예컨대, 구조 간소화를 위하여, 상부 하우징(12A)이 제거되거나, 하부 하우징(12B)의 바닥부가 제거된 형태의 모듈 하우징을 구비한 배터리 모듈도 본 발명의 배터리 어셈블리가 될 수 있다.
혹은, 도 4 및 도 5와 같이, 복수개의 배터리 셀의 상하좌우면을 감싸는 모듈 하우징 자체가 제거된 형태의 배터리 셀 적층체도 배터리 어셈블리가 될 수 있다.
도 4 및 도 5에 개시된 실시예에는, 상기 배터리 어셈블리로서, 배터리 셀(110)이 다수개 적층된 배터리 셀 적층체, 즉, 셀 적층체 단위유닛(100)을 적용하고 있다.
상기 배터리 셀(110)은 측면이 서로 접촉한 상태가 되도록 적층되며, 이웃하는 배터리 셀(110)의 측면끼리 양면 테이프를 통해 고정될 수 있다. 혹은, 적층된 다수개의 배터리 셀(110)을 밴드(111)로 묶어서 하나의 셀 적층체 단위유닛(100)으로 할 수도 있다(도 5(a) 참조). 본 실시예에서 셀 적층체 단위유닛 (100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 좌우방향(또는 수평방향)으로 적층되어 구성될 수 있다. 그러나, 필요에 따라 배터리 셀(110)을 상하방향(높이방향)으로 적층하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 실시예에서, 상기 셀 적층체 단위유닛(100)의 전단 및 후단의 전극 리드에는 버스바 어셈블리(120)가 결합될 수 있다. 버스바 어셈블리(120)는 배터리 셀 간을 전기적으로 연결하는 인터버스바(121) 또는 외부 전원과 연결될 수 있는 터미널 버스바(122) 등을 구비할 수 있다. 하나의 셀 적층체 단위유닛(100)에 적층되는 배터리 셀(110)의 개수는 예컨대 2개, 4개, 6개, 8개일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 셀 적층체 단위유닛(100)은 적층된 배터리 셀(110) 사이에 적어도 하나의 완충패드(130)를 포함할 수 있다(도 5(b) 참조). 상기 완충패드는, 스웰링 현상에 의한 배터리 셀(110)의 팽창을 흡수하기 위한 것이다.
본 실시예에서는, 배터리 셀(110)로서 파우치형 배터리 셀이 사용되는 경우를 예를 들어 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 캔형 배터리 셀로 배터리 어셈블리를 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 팩 하우징(1100)은, 단위프레임 어셈블리(200)와, 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 전후방향 전단 및 후단에 결합되는 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)을 각각 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 배터리 어셈블리의 하부면과 일측면을 지지하는 복수개의 단위프레임(210)을 구비하고, 상기 단위프레임들을 레고블록처럼 순차 결합시켜 배터리 팩(1000)의 바닥부 면적을 필요에 따라 증가 및 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 단위프레임 어셈블리(200)는, 종래의 배터리 팩의 베이스판과 격벽의 기능을 수행할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 단위프레임(210)은 높이방향으로 연장되는 측벽부(211)와, 상기 측벽부 하단(211b)으로부터 일측방향(좌우방향 중 한쪽의 방향)을 따라 연장되는 베이스부(212)를 구비한다. 상기 측벽부(211)는 높이방향 상하로 각각 단부(211a,211b)를 구비한다. 상기 베이스부(212)는 좌우측으로 연장되며 수평방향으로 양단부(212a,212b)를 구비한다. 상기 베이스부(212)의 우측단부(212b)는 측벽부 하단(211b)과 연결된다. 상기 단위프레임들의 베이스부는 일측방향을 따라 일렬로 순차결합되어 단위프레임 어셈블리(200)를 형성한다. 즉, 하나의 단위프레임의 베이스부의 측벽부 하단측 단부(212b)가 후속하는 단위프레임 베이스부의 일측방향 연장 단부(212a)와 차례차례 결합하는 것에 의하여 상기 단위프레임(210)이 측방향(좌우방향)을 따라 일렬로 결합되어 단위프레임 어셈블리(200)를 형성한다. 상기 베이스부(212)는 각 배터리 어셈블리의 하부면을 지지한다. 따라서, 상기 결합된 베이스부들은 종래의 배터리 팩의 베이스판을 형성한다. 상기 단위프레임(210)의 결합 개수를 증가시키거나 감소시키면, 상기 단위프레임 어셈블리(200)는 측방향으로 더욱 커지거나 작아질 수 있다. 즉, 베이스부들이 구성하는 배터리 팩(1000)의 바닥 면적을 필요에 따라 변경할 수 있다.
또한, 상기 단위프레임(210)의 측벽부(211)는 종래의 배터리 팩에서 배터리 모듈을 구획하는 격벽과 같은 기능을 한다. 즉, 도 7과 같이 단위프레임(210)을 측방향으로 순차 결합함으로써, 이웃하는 단위프레임(210)의 측벽부(211)가 서로 대향 배치된다. 이 대향 배치되는 측벽부(211) 사이 공간에 배터리 모듈(10) 또는 셀 적층체 단위유닛(100)과 같은 배터리 어셈블리를 배치할 수 있다. 따라서, 상기 단위프레임(210)을 측방향으로 순차 결합해 나가는 것에 의하여, 배터리 어셈블리가 놓여지는 바닥부의 면적이 증가되고, 배터리 어셈블리를 구획하는 격벽의 개수도 자연히 늘릴 수 있다.
이와 같이, 단위프레임들을 마치 레고블록과 같이 결합 개수를 달리하여 측방향으로 결합하는 것에 의하여 다종 다양한 요구 사양에 대응하여 배터리 팩의 크기를 조절할 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩의 전기용량도 요구성능에 부합하도록 자유롭게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 배터리 팩의 설계자유도를 현저하게 증가시킬 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 배터리 어셈블리들은, 셀 적층방향(좌우방향에 나란한 방향)으로 일정 폭을 가지고, 길이방향(전후방향에 나란한 방향)으로 길게 연장되어 일정 길이를 가진다. 예컨대, 상기 각각의 셀 적층체 단위유닛(100)은 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 이웃하는 단위프레임(210) 사이 공간에 수용된다. 즉, 각 셀 적층체 단위유닛(100)의 하부면이 각 단위프레임(210)의 베이스부(211)에 지지된다. 또한, 상기 셀 적층체 단위유닛(100)의 폭방향 양측면이 이웃하는 단위프레임(210)의 대향하는 측벽부(212)에 각각 지지되도록, 상기 셀 적층체 단위유닛(100)이 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 각 단위프레임(210)에 수용된다.
배터리 어셈블리로서 도 1의 배터리 모듈(10)이 적용되는 경우는, 상기 배터리 모듈(10)이 이웃하는 단위프레임(210) 사이 공간에 수용된다. 또한, 배터리 모듈(10)의 하부면(하부 하우징(12B)의 하부면)이 각 단위프레임(210)의 베이스부(211)에 지지된다. 또한, 상기 배터리 모듈(10)의 폭방향 양측면(하부 하우징(12B)의 양측면)이 이웃하는 단위프레임(210)의 대향하는 측벽부(212)에 각각 지지되도록, 상기 배터리 모듈(10)이 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 각 단위프레임(210)에 수용된다.
한편, 상기 단위프레임(210)은 전후방향을 따라 일정 길이로 연장된다. 즉, 상기 측벽부(211) 및 베이스부(212)는 전후방향을 따라 연장된다. 상기 측벽부 및 베이스부의 전후방향 길이는, 상기 배터리 어셈블리의 전후방향 길이를 충분히 수용할 수 있도록 정해진다. 즉, 상기 단위프레임(210)의 전후방향 길이는 상기 배터리 어셈블리를 구성하는 배터리 셀(110)의 길이에 따라 정해진다. 혹은, 후술하는 바와 같이 상기 배터리 어셈블리(10,100)가 전후방향을 따라 복수개로 일렬로 배치될 경우에, 그에 대응하여 상기 단위프레임(210)의 길이를 전후방향으로 길게 형성할 수 있다. 즉, 본 발명은 측방향으로 단위프레임(210)의 결합 개수를 증감하는 것에 의하여, 배터리 팩의 바닥 크기를 측방향으로 변화시킬 뿐만 아니라, 배터리 어셈블리의 길이나 혹은 길이방향 배열 개수에 따라 전후방향으로 단위프레임(210)의 길이를 늘리는 것에 의하여 배터리 팩의 바닥 크기를 길이방향으로 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 9와 같이, 단위프레임(210)의 측벽부(211)는 배터리 어셈블리, 예컨대 셀 적층체 단위유닛(100)의 높이보다 높게 형성할 수 있다. 이에 의하여 측벽부(211)가 배터리 어셈블리의 측면을 안정적으로 지지할 수 있다.
상기 측벽부(211)와 베이스부(212)는 일체로 성형하는 것에 의하여 제조될 수 있다. 혹은, 2개의 평판 플레이트를 일단부가 접촉하도록 수직방향으로 배치하고 접촉한 평판 플레이트의 단부들을 용접 결합하는 것에 의하여 상기 단위프레임(210)을 제조하는 것도 가능하다.
상기 단위프레임(210)은, 내부에 빈 공간(H,f1)이 형성되도록 알루미늄 등의 금속 소재를 압출하여 중공형의 프레임으로 제작할 수 있다. 이와 같이 단위프레임들을 중공형으로 구성함으로써, 배터리 팩의 중량을 줄이고, 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 내부 공간에 리브 형태의 구획벽을 형성하면, 프레임들의 기계적 강성을 신뢰성 있는 수준으로 유지할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 단위프레임(210)에 형성된 중공 공간은 냉각 유체가 통과하는 통로나 배터리 팩 내에서 발생하는 가스를 벤팅시키는 벤팅 채널로도 사용 가능하다.
상기 단위프레임들은 예컨대 마찰 교반용접과 같은 용접에 의하여 서로 결합될 수 있다. 이 경우, 상기 단위프레임(210)의 베이스부(212)의 측벽부 하단측 단부(212b)에 후속하는 단위프레임 베이스부의 전방측 단부(212a) 형상과 정합하는 형상의 단차부(P)가 형성될 수 있다. 즉, 도 7 및 도 9와 같이, 베이스부의 측벽부 하단측 단부(212b)(혹은 베이스부 단부와 이어지는 측벽부 하단부(211b))에 단차부(P)가 구비된다. 이 단차부 형상은 후속하는 단위프레임 베이스부의 전방측 단부(212a)의 형상과 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 측방향으로 이웃하는 베이스부(212) 끼리 상기 단차부(P)에서 서로 맞물리도록 결합함으로써, 단위프레임(210)의 결합강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 단차부(P)와 베이스부의 결합면이 높이방향으로 단위프레임의 측벽부(211) 및 상기 배터리 어셈블리의 하중을 지지할 수 있으므로, 배터리 어셈블리의 하중을 적절하게 분산할 수 있다는 장점이 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 전후방향 전단에는 전방프레임(300)이 결합된다. 또한, 단위프레임 어셈블리(200)의 전후방향 후단에는 후방프레임(400)이 결합된다.
상기 전방프레임과 후방프레임은 상기 배터리 어셈블리의 전면과 후면을 커버하며 상기 단위프레임 어셈블리(200)에 결합된다. 따라서, 상기 단위프레임의 베이스부(212), 이웃하는 단위프레임의 대향하는 측벽부(211), 상기 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)에 의하여 상기 배터리 어셈블리의 수용공간이 형성된다.
상기 전방프레임(300)은 좌우방향으로 길게 연장되며 높이방향으로 세워진 형태를 가질 수 있다. 전방프레임은 높이방향으로 연장되는 전방커버부(310)와, 상기 전방커버부(310)의 하부로부터 전방으로 돌출되는 전방 플레이트부(320)를 구비할 수 있다. 상기 전방 플레이트(320)부는 차량과 같은 구조물에 고정 결합될 수 있다.
후방프레임(400)은 좌우방향으로 길게 연장되며 높이방향으로 세워진 형태를 가질 수 있다. 후방프레임은 상기 전방프레임과 동일 또는 상이한 형태로 이루어질 수 있다. 상기 후방프레임은 높이방향으로 연장되는 후방커버부(410)와, 상기 후방커버부(410)의 하부로부터 후방으로 돌출되는 후방 플레이트부(420)를 구비하여 전방프레임과 동일한 형태로 되어 있다. 상기 후방 플레이트부(420)는 차량과 같은 구조물에 고정 결합될 수 있다.
상기 전방커버부 및 후방커버부의 높이는 상기 단위프레임의 측벽부(211) 높이와 동일할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 일측방향 최선단의 단위프레임(210)은 베이스부 단부 측이 개방되어 있다. 따라서, 최선단의 단위프레임(210)의 베이스부 상에는 상기 배터리 어셈블리를 수용할 수 없다. 이 경우, 상기 최선단 단위프레임(210)의 베이스부를 차량과 같은 구조물에 결합되는 결합부로 사용할 수 있다. 이러한 예에서는, 상기 단위프레임 어셈블리(200)에 결합되는 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)의 좌우방향 길이는 일측방향 최후단의 단위프레임으로부터 일측방향 최선단 단위프레임의 측벽부까지 연장되도록 할 수 있다.
그러나, 상기 최선단의 단위프레임(210)에도 배터리 어셈블리를 수용할 수 있도록, 예컨대 상기 최선단 단위프레임(210)의 베이스부에 결합되는 제1 사이드프레임(500)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 사이드프레임(500)은, 전후방향으로 길게 연장된 형태를 가질 수 있다. 제1 사이드프레임(500)의 전후방향 길이는 상기 단위프레임(210)의 전후방향 길이와 동일할 수 있다. 따라서, 상기 제1 사이드프레임(500)은 상기 최선단 단위프레임(210)의 베이스부 단부에 결합하여 단위프레임 어셈블리(200)의 일측방향 최선단을 커버할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 사이드프레임(500)과 최선단 단위프레임(210)이 형성하는 공간에 배터리 어셈블리를 추가적으로 수용할 수 있다. 이때, 상기 배터리 어셈블리의 하부면은 상기 최선단 단위프레임(210)의 베이스부에 지지되고, 양측면은 상기 제1 사이드프레임(500)과 이에 대향하는 최선단 단위프레임(210)의 측벽부(211)에 각각 지지된다. 이 경우, 상기 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)의 좌우방향 길이는 일측방향 최후단의 단위프레임(210)으로부터 상기 제1 사이드프레임(500)까지 연장될 수 있다. 이에 따라, 최선단 단위프레임(210)의 베이스부(212), 제1 사이드프레임(500), 상기 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)에 의하여 일측방향 최선단의 배터리 어셈블리의 수용공간이 형성된다. 상기 제1 사이드프레임(500)의 높이는 상기 전방프레임(300) 및 후방프레임(400) 높이와 동일할 수 있다.
상기 단위프레임(210) 외에 제1 사이드프레임(500), 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)도 내부에 공간이 형성되는 중공형 프레임으로 제작할 수 있다. 이에 의하여, 배터리 팩의 중량을 더욱 줄일 수 있다. 또한, 상기 내부 공간에 리브 형태의 구획벽을 형성하여 프레임들의 기계적 강성을 신뢰성 있는 수준으로 유지할 수 있다.
또한, 상기 팩 하우징(1100)은 상기 배터리 어셈블리를 덮으며 상기 단위프레임 어셈블리(200)에 결합되는 팩 커버(600)를 더 포함할 수 있다. 도 6과 같이, 상기 팩 커버(600)의 하면 테두리부는, 상기 전방프레임(300), 후방프레임(400), 제1 사이드프레임(500), 상기 단위프레임 어셈블리(200)의 최후단 측벽부(211)의 상단에 각각 결합될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 단위프레임(210)의 베이스부(212)는 냉각 유로(f1)를 내부에 구비할 수 있다. 예컨대, 베이스부(212)를 압출 성형하면 압출부재의 진행방향에 따라 베이스부의 내부에 공간이 형성될 수 있다. 상기 내부 공간은 리브와 같은 구획벽에 의하여 복수의 중공 채널로 구획될 수 있다. 이 중공 채널들 중 적어도 하나에 별도의 냉각 유로를 설치하거나 혹은 상기 중공 채널 자체를 냉각 유로로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 베이스부(212)를 따라서 전후방향으로 연장되는 냉각 유로(f1)가 구비된 단위프레임 어셈블리(200)를 구성할 수 있다. 이 냉각 유로(f1)를 통하여 냉각 유체를 유동시킴으로써, 상기 배터리 어셈블리를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 또한, 단위프레임(210)의 베이스부를 냉각 일체형의 구조로 함으로써, 종래와 같이 별도의 냉각판을 베이스부에 설치할 필요가 없다. 이에 의하여, 배터리 팩(1000)의 높이를 줄여서 보다 컴팩트하게 배터리 팩을 구성할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 전방프레임(300) 및 후방프레임(400)은 상기 베이스부의 냉각유로에 연통하는 냉각 유로(f2,f3)를 각각 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 전방프레임 및 후방프레임 중 하나에 상기 냉각 유로와 연통되는 냉매 주입구 및 냉매 배출구가 구비될 수 있다. 혹은, 상기 전방프레임 및 후방 프레임 중 하나에 냉매 주입구를, 다른 하나에 냉매 배출구를 형성할 수 있다. 이에 의하여, 본 발명의 배터리 팩은 전방프레임(300)의 냉각 유로(f2), 단위프레임 어셈블리(200)의 냉각 유로(f1) 및 후방프레임의 냉각 유로(f3)로 이어지는 냉각 경로를 다양하게 설계할 수 있다.
상기 배터리 어셈블리와 상기 베이스부(212) 사이에는 열 전달부재(R)가 구비될 수 있다. 이러한 열전달 부재(R)는 열전달이 잘 이루어지도록 하기 위하여, 열전도성 그리스, 열전도성 접착체, 열전도성 에폭시, 방열 패드 중 적어도 일부를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 열전달부재(R)는 배터리 어셈블리의 하부면을 단위프레임 어셈블리(200)의 베이스부에 고정하는 역할을 수행하므로, 일정 이상의 접착력을 갖도록 구성될 수 있다. 상기 열전달부재(R)에 의하여, 냉각 유로를 구비한 베이스부로 용이하게 열이 전달되어 배터리 팩의 방열이 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 10은 본 발명의 배터리 팩에 배터리 어셈블리가 설치되는 과정을 나타내는 개략도이고, 도 11은 종래의 배터리 팩과 본 발명의 배터리 팩을 대비한 개략도이다.
상기 단위프레임 어셈블리(200)의 이웃하는 단위프레임의 측벽부(211) 사이 거리는 각 배터리 어셈블리의 폭보다 작게 형성될 수 있다. 예컨대, 배터리 어셈블리로서 셀 적층체 단위유닛(100)을 사용하는 경우, 상기 측벽부(211) 사이 거리는 셀 적층체 단위유닛(100)의 폭보다 작게 형성할 수 있다.
따라서, 상기 각 셀 적층체 단위유닛(100)을 각 단위프레임(210)에 수용하기 위해서는, 상기 셀 적층체 단위유닛(100)을 폭방향(배터리 셀 적층방향)으로 압축하여 이웃하는 단위프레임(210)의 측벽부(211) 사이로 끼워넣어야 한다. 또한, 상기 셀 적층체 단위유닛(100)을 폭방향으로 압축할 때, 상기 완충패드(130)가 압축되는 것에 의하여 용이하게 상기 셀 적층체 단위유닛(100)을 압축시킬 수 있다.
반면, 배터리 어셈블리로서 배터리 모듈(10)을 사용하는 경우에는, 다음과 같은 문제가 있을 수 있다.
먼저, 배터리 모듈을 구성하기 위해서, 모듈 하우징, 단부판, 그 외 각종 부수적인 부품이 필요하여 제조원가가 높아진다.
또한, 도 3(a)와 같이 배터리 모듈(10)을 팩 하우징의 격벽(22) 사이에 설치하기 위해서는 필연적으로 조립 공차(G)가 발생한다. 따라서, 이 조립 공차와 배터리 모듈의 하우징 두께만큼 배터리 팩 내에 설치되는 배터리 셀의 개수가 줄어들어 배터리 팩의 에너지밀도가 감소할 수 있다.
또한, 도 3(b)와 같이 모듈 하우징(12)이 배터리 셀(11)과 팩 하우징의 베이스판(23) 상에 설치되는 경우, 열전달 효율을 위하여, 모듈 하우징 상하로 2층의 열전달부재(1,1')가 필요하게 된다. 또한, 냉각판(24)과 모듈 하우징(12)으로 인하여 배터리 팩의 높이방향 공간이 증가하고 팩 중량이 증가한다. 이 때문에, 제조원가가 상승할 뿐 아니라, 배터리 팩의 중량 증가 및 설치공간 확대로 인하여 에너지 밀도가 더욱 감소한다.
그러나, 배터리 어셈블리로서, 상기 셀 적층체 단위유닛(100)을 사용하는 경우 등에는, 상술한 문제점을 해소할 수 있다.
즉, 셀 적층체 단위유닛을 적용하면, 모듈 하우징 없이 직접 배터리 셀이 팩 하우징 내에 수용되는 이른바 셀투팩 구조를 가지므로, 모듈 부품 생산 및 조립에 따른 공정이나 비용을 없앨 수 있다.
특히, 모듈 설치에 필요한 조립 공차를 없애고, 높이방향으로 팩 내의 공간을 보다 컴팩트하게 하고 배터리 팩 중량을 저감할 수 있으므로, 동일 배터리 팩 공간이 차지하는 에너지 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 배터리 셀(110)을 배터리 팩에 수용할 때, 종래의 배터리 모듈 사용시에 필요한 조립 공차(G)를 둘 필요가 없다. 또한, 상기와 같이, 셀 적층체 단위유닛(100)을 대향하는 단위프레임(210)의 측벽부 사이에 압축하여 삽입할 수 있다. 이에 따라, 좌우방향으로 배터리 팩의 공간을 절감할 수 있으므로, 동일 공간에 더 많은 배터리 셀(110)을 설치할 수 있으므로, 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 단위프레임(210)의 베이스부(212)의 좌우방향 길이는, 이웃하는 단위프레임(210)의 측벽부(211) 사이 거리가 각 셀 적층체 단위유닛(100)의 폭보다 작게 되는 범위에서 결정될 수 있다. 즉, 상기 베이스부의 좌우방향 길이는 상기 셀 적층체 단위유닛(100)의 삽입 공간을 고려하여 적절하게 정할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 배터리 어셈블리는 이웃하는 단위프레임(210)의 대향하는 측벽부에 양측면이 끼워져 단단하게 고정될 수 있다. 또한, 배터리 어셈블리 하부면에 구비되는 열전도성 접착제와 같은 열전달부재에 의하여 단위프레임(210)의 베이스부에 고정된다. 따라서, 본 발명에 의하면 별도의 체결부재 없이도, 배터리 어셈블리를 각 단위프레임(210)에 강고하게 결합할 수 있으므로, 전체적인 조립성이 향상된다는 이점이 있다.
도 11에는 배터리 어셈블리로서 셀 적층체 단위유닛(100)을 사용한 경우의 장점이 명확하게 나타나 있다.
도 11(b)에서 셀 적층체 단위유닛(100)이 모듈 하우징 없이 직접 팩 하우징 내에 수용된다. 따라서, 도 11(a)의 배터리 모듈과 같이 모듈을 팩에 수용할 때 필요한 조립 공차를 둘 필요가 없고 모듈 하우징 두께만큼 좌우 폭을 줄일 수 있다. 또한, 모듈 하우징이 없으므로, 열전달부재(R)도 셀 적층체 단위유닛(100)과 베이스부(212) 사이의 1개소로 충분하므로, 재료를 절감할 수 있고 냉각 경로를 보다 단순화하여 방열 효율을 개선할 수 있다. 또한, 베이스부(212)를 냉각 유로가 구비된 냉각 일체형 구조로 함으로써 냉각판도 필요하지 않다. 이와 같이, 셀 적층체 단위유닛(100)을 배터리 어셈블리로서 적용하면 좌우방향뿐만 아니라, 높이방향으로도 공간이 절감된다. 따라서, 종래의 배터리 팩과 대비할 때, 동일 부피를 갖는 공간에 보다 많은 배터리 셀(110)을 수용할 수 있어 에너지 밀도가 크게 향상된다.
한편, 상기 단위프레임 어셈블리(200)에 포함되는 일부 단위프레임에는 배터리 어셈블리를 설치하지 않고, 전장품 어셈블리(도시하지 않음)를 수용할 수 있다. 전장품 어셈블리에는 릴레이 장치, 전류 센서, 퓨즈, BMS, MSD(Manual Service Disconnector) 등을 수용할 수 있다. 이러한 전장품 어셈블리는 배터리 어셈블리들과 함께 외부에 노출되지 않게 배터리 팩 내에 패키징될 수 있다.
(제2 실시형태)
도 12는 본 발명의 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 분해사시도이고, 도 13은 단위프레임의 변형예들을 나타내는 사시도이다.
도 12의 실시예는 도 6의 실시예에 더하여, 단위프레임 어셈블리(200)의 일측방향 최후단의 단위프레임(210)의 측벽부에 결합되는 제2 사이드프레임(500')을 더 포함하는 것이다.
도 6의 실시예에서 최후단 단위프레임(210)의 측벽부(211)는 두께가 얇으므로 배터리 팩의 우측을 커버하는 제2 사이드프레임(500')을 포함하도록 하였다. 상기 제2 사이드프레임(500')의 길이 및 높이는 제1 사이드프레임(500)과 동일한 것을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 최후단 단위프레임(210)의 측벽부와 제2 사이드프레임(500')이 결합하여 배터리 팩의 우측벽을 형성하므로, 상기 측벽부의 두께만큼 제2 사이드프레임(500')의 폭을 제1 사이드프레임(500) 폭보다 작게 할 수 있다.
도 6 및 도 12의 실시예에서는, 단위프레임 어셈블리(200)의 일측방향 최선단의 단위프레임(210)에 배터리 어셈블리(예컨대, 셀 적층체 단위유닛(100))을 수용할 수 있도록, 상기 배터리 어셈블리의 일측면을 커버할 수 있는 제1 사이드프레임(500)을 구비하고 있다.
도 13의 도면 좌측 부분은, 상기 제1 사이드프레임 대신, 상기 최선단 단위프레임(210) 자체를 상기 배터리 어셈블리를 수용할 수 있는 형태로 제2 측벽부(214)를 구비한 단위프레임(211)이 도시되어 있다. 즉, 본 실시예의 최선단 단위프레임(210)은, 베이스부(212)의 일측방향 연장 단부에 측벽부에 대향하는 제2 측벽부(214)를 더 가진다. 따라서, 상기 최선단 단위프레임(210)은 후속의 단위프레임(210)과는 달리 베이스부의 양측에 측벽부(211,214)를 각각 가진다. 이에 따라, 배터리 어셈블리의 하부면이 상기 최선단 단위프레임(210)의 베이스부에 지지되고, 양측면이 상기 측벽부(211) 및 제2 측벽부(214)에 각각 지지되도록 배터리 어셈블리를 최선단 단위프레임(210)에 수용할 수 있다. 상기 제2 측벽부(214)는 배터리 팩의 좌측벽을 형성하므로, 제2 측벽부의 폭은 다른 단위프레임(210)의 측벽부 폭보다 클 수 있다. 예컨대, 상기 제2 측벽부 폭은 제1 사이드프레임의 폭과 동일할 수 있다.
또한, 도 13의 도면 우측 부분에는 단위프레임 어셈블리(200)의 최후단 단위프레임(210)의 측벽부 폭을 제1 사이드프레임의 폭과 동일하게 한 예가 나타나 있다. 즉, 본 예에서는, 제2 사이드프레임(500')을 최후단 단위프레임(210)의 측벽부에 결합하지 않고, 최후단 단위프레임(210) 측벽부 자체의 폭을 키운 것이다. 따라서, 통상의 측벽부와 달리 최후단 단위프레임의 측벽부(216)는 도면부호를 다르게 나타내었다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 단위프레임(210)을 3가지 형태의 전용 부품으로 구성할 수 있음을 제안하였다. 즉, 통상의 측벽부와 베이스부를 가지는 단위프레임(T1)과, 제2 측벽부(214)를 가지는 최선단 단위프레임(T2), 측벽부 폭이 큰 최후단 단위프레임의 3종류(T3)로 구성하면, 이러한 단위프레임들을 적절히 조합하여 단위프레임 어셈블리(200)를 구성할 수 있다. 본 실시예의 경우는, 여러 종류의 단위프레임을 규격화하여 미리 제조할 수 있으므로, 예컨대, 제1 사이드프레임(500)을 최선단 단위프레임에 별도로 결합할 필요가 없다.
(제3 실시형태)
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예의 배터리 팩을 나타내는 사시도이고, 도 15는 도 14의 실시예의 배터리 팩의 단위프레임과 배터리 어셈블리의 결합도이다.
도 14의 실시예는, 복수개의 배터리 어셈블리가 측방향(좌우방향)을 따라서 복수개의 열로 나란하게 배치되어 각각의 단위프레임(210)에 수용되어 있다.
도 14의 실시예는, 상기 배터리 어셈블리가 전후방향을 따라 2개 이상의 열로 배치되었을 때, 이를 수용할 수 있는 배터리 팩(200) 구조를 도시한 것이다.
도 15는, 이러한 배터리 팩 구조의 단위프레임(210)의 예시로서 배터리 어셈블리의 전후방향을 따라 2열로 배치된 경우의 단위프레임(210)의 형상을 도시하고 있다.
도 15를 참조하면, 상기 단위프레임(220)의 측벽부(221)는, 전후방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되어 2개의 측벽부(221A,221B)가 일렬로 위치한다. 베이스부(222)는, 각 측벽부 하단으로부터 일측방향으로 연장되고 또한 전후방항을 따라 길게 연장되어 있다. 즉, 본 실시예에서, 측벽부는 배터리 어셈블리(예컨대 셀 적층체 단위유닛(100))의 열의 개수와 동일한 개수 구비된다. 따라서, 상기 2열의 배터리 어셈블리의 하부면은 하나의 베이스부(222)에 의하여 지지된다. 각 열의 배터리 어셈블리의 일측면은 상기 단위프레임(220)의 2개의 측벽부(221A,221B)에 의하여 각각 지지된다. 도 15와 같이, 2개의 단위프레임(220)이 측방향으로 결합되면, 대향하는 단위프레임(220)의 측벽부 사이에 상기 2열의 배터리 어셈블리가 수용되는 공간이 형성된다. 2열의 배터리 어셈블리의 폭을 도 10과 같이 압축하여 대향하는 측벽부 사이에 삽입할 수 있다. 이에 따라, 각각의 열의 배터리 어셈블리는 단위프레임(220)의 하나의 베이스부(222)에 하부면이 지지되도록 상기 공간에 수용된다. 이 경우, 각 열의 단위유닛(100)의 양측면은, 이웃하는 단위프레임(220)의 서로 대향하며 전후방향을 따라 배치된 각각의 측벽부에 지지된다.
도 14에는 전후방향으로 2열로 배치된 배터리 어셈블리가 측방향으로 다시 복수개로 나란하게 배치되어, 각각의 단위프레임(210)에 수용되는 것이 도시되어 있다.
이와 같이, 배터리 어셈블리를 전후방향과 측방향으로 행과 열을 가지도록 배치함으로써, 배터리 팩(2000)에 수용되는 배터리 셀의 개수를 크게 늘릴 수 있다. 이에 따라, 보다 크고 대용량의 배터리 팩을 구성할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 배터리 팩의 바닥부 면적을 더욱 크게 할 수 있어, 배터리 팩 설계자유도를 더욱 높일 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 각 단위프레임(220)의 측벽부(221A,221B)는 전후방향으로 소정 간격(S)을 두고 이격 배치된다. 이는 첫째, 전후 열의 배터리 어셈블리를 구획하여 서로 간섭되는 것을 피하기 위함이다. 둘째, 상기 이격된 측벽부(221A,221B) 사이 간격(S)에 배터리 어셈블리를 구획하고 배터리 팩의 구조강성을 보강할 수 있는 보강부재를 설치하기 위함이다.
단위프레임(220)이 전후방향으로 길어지면 배터리 팩의 길이방향의 강성이 약해진다. 특히, 상기 단위프레임(220)에 수용되는 배터리 어셈블리의 수가 증가하면 길이방향으로 단위프레임(220)이 받는 하중도 증가한다. 따라서, 단위프레임(220) 또는 배터리 팩의 전후방향(길이방향)의 강성을 보강하기 위한 보강부재가 필요하게 된다. 도 14를 참조하면, 보강부재로서 센터프레임(250)이 각 단위프레임(220)의 베이스부들을 따라 측방향으로 연장되어 상기 단위프레임 어셈블리(200')에 결합되어 있다. 상기 센터프레임(250)은 전후 열의 배터리 어셈블리를 자연히 구분하고 있다. 또한, 측방향으로 단위프레임 어셈블리(200')의 베이스부들을 가로질러 상기 전후방향으로 배치된 측벽부(221A,221B) 사이 공간에 결합된다. 이에 따라, 단위프레임 어셈블리(200')가 전후방향으로 길어지더라도 상기 센터프레임(250)이 배터리 팩(2000)의 강성을 보강하여 견고하게 배터리 어셈블리를 지지할 수 있게 된다.
도 16은 본 발명의 변형예에 따른 배터리 팩의 구성요소인 단위프레임의 개략도이다.
도 16은 상기 단위프레임(230)의 측벽부(231)가 전후방향을 따라 소정 간격을 두고 3열(231A,231B,231C)로 배치된 것을 도시하고 있다. 이 경우에는 전후방향으로 3열의 배터리 어셈블리(예컨대, 셀 적층체 단위유닛(100))을 상기 단위프레임(230)에 설치할 수 있다.
따라서, 전후방향으로 단위프레임 어셈블리 및 배터리 팩의 바닥 면적이 더욱 증가된다. 이론상으로는 상기 단위프레임(230)의 전후방향 길이 혹은 전후방향으로 배열되는 측벽부의 개수는 제한이 없다. 다만, 차량의 설치공간과 요구되는 배터리 팩의 용량에 따라서, 필요한 배터리 어셈블리의 개수가 정해진다. 따라서, 배터리 어셈블리의 설정 개수를 적절하게 배터리 팩의 측방향 및 전후방향을 따라 행과 열로 구분하여 배치할 수 있다. 본 발명은 레고블록과 같이 측방향을 따라 단위프레임을 조립해나감으로써, 측방향으로 필요한 배터리 어셈블리의 개수에 따라 단위프레임 어셈블리 또는 배터리 팩 바닥부를 용이하게 변경하여 대응할 수 있다. 또한, 전후방향으로 필요한 배터리 어셈블리의 열의 개수에 대응하여 단위프레임의 전후방향 길이를 길게 하고, 본 실시예와 같이, 측벽부의 개수도 각 열의 개수에 부합하도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 다종 다양하게 요구되는 설계규격에 대응하여 한 배터리 팩의 바닥부 면적을 자유롭게 변경할 수 있으므로, 범용성이 높은 배터리 팩을 제조할 수 있다.
한편, 도 16과 같이 3열의 배터리 어셈블리를 배치할 수 있는 단위프레임(230)에는 측벽부 사이에 2개의 간격(S1,S2)이 형성된다. 이 간격에는 2개의 센터프레임(250)을 배치할 수 있다. 즉, 전후방향으로 배터리 어셈블리의 열이 증가하더라도, 센터프레임(250)을 측벽부 사이 간격의 베이스부(232) 상에 적절히 배치함으로써, 배터리 팩의 강성을 보강할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 복수의 배터리 어셈블리들과, 상기 배터리 어셈블리들을 수용하는 팩 하우징을 포함하고, 상기 팩 하우징은
    측벽부와 상기 측벽부 하단으로부터 일측방향으로 연장되는 베이스부를 각각 가지는 복수개의 단위프레임의 어셈블리로서, 하나의 단위프레임의 베이스부의 측벽부 하단측 단부가 후속 단위프레임 베이스부의 일측방향 연장 단부와 차례차례 결합하는 것에 의하여 상기 단위프레임이 측방향을 따라 일렬로 결합되어 이루어지는 단위프레임 어셈블리;
    상기 단위프레임 어셈블리의 전후방향 전단에 결합되는 전방프레임; 및
    상기 단위프레임 어셈블리의 전후방향 후단에 결합되는 후방프레임을 포함하며,
    각각의 배터리 어셈블리는, 각각의 단위프레임의 베이스부에 하부면이 지지되고, 이웃하는 단위프레임의 대향하는 측벽부에 양측면이 지지되도록 각 단위프레임에 수용되는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측벽부의 높이는, 상기 배터리 어셈블리의 높이보다 높은 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위프레임의 베이스부의 측벽부 하단측 단부에 후속 단위프레임의 베이스부의 전방측 단부 형상과 정합하는 형상의 단차부가 형성되고,
    상기 단차부에 후속 단위프레임 베이스부의 전방측 단부가 결합되는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최선단의 단위프레임의 베이스부에 결합되는 제1 사이드프레임을 더 포함하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 최선단 단위프레임에 수용되는 배터리 어셈블리는, 하부면이 상기 최선단 단위프레임의 베이스부에 지지되고, 양측면이 상기 제1 사이드프레임과 이에 대향하는 최선단 단위프레임의 측벽부에 각각 지지되는 배터리 팩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최후단의 단위프레임의 측벽부에 결합되는 제2 사이드프레임을 더 포함하는 배터리 팩.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최후단의 단위프레임의 측벽부 폭은 상기 제1 사이드프레임의 폭과 동일한 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단위프레임 어셈블리의 일측방향 최선단의 단위프레임은, 상기 베이스부의 일측방향 연장 단부에 상기 측벽부에 대향하는 제2 측벽부를 더 가지는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 일측방향 최선단의 단위프레임에 수용되는 배터리 어셈블리는, 하부면이 상기 최선단 단위프레임의 베이스부에 지지되고, 양측면이 상기 측벽부 및 제2 측벽부에 각각 지지되는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 측벽부의 폭은 다른 단위프레임의 측벽부 폭보다 큰 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단위프레임 어셈블리의 이웃하는 단위프레임의 대향하는 측벽부 사이 거리는, 상기 각 배터리 어셈블리의 폭보다 작은 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리는, 적층된 배터리 셀 사이에 적어도 하나의 완충패드를 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리와 상기 베이스부 사이에 열 전달부재가 구비되는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부는 냉각 유로를 내부에 구비하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전방프레임 및 후방프레임은 상기 베이스부의 냉각유로에 연통하는 냉각 유로를 각각 구비하는 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    각각의 단위프레임은, 전후방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되어 일렬로 위치하는 2개 이상의 측벽부와 상기 각 측벽부 하단으로부터 일측방향으로 연장되고 또한 전후방항을 따라 길게 연장되는 하나의 베이스부를 가지며,
    상기 복수개의 배터리 어셈블리는 상기 측벽부의 개수에 대응하여 전후방향을 따라 2개 이상의 열로 배치되고,
    각각의 열의 배터리 어셈블리는, 각각의 단위프레임의 하나의 베이스부에 그 하부면이 지지되고, 이웃하는 단위프레임의 서로 대향하며 전후방향을 따라 배치된 각각의 측벽부에 양측면이 지지되도록 각 단위프레임에 수용되는 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서,
    전후방향으로 이격된 측벽부 사이 간격에 위치하여 상기 배터리 어셈블리를 열 단위로 구획하며,
    각 단위프레임의 베이스부들을 따라 측방향으로 연장되어 상기 단위프레임 어셈블리에 결합되는 센터프레임을 더 포함하는 배터리 팩.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팩 하우징은, 상기 배터리 어셈블리를 덮으며 상기 단위프레임 어셈블리에 결합되는 팩 커버를 더 포함하는 배터리 팩.
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