WO2024019514A1 - 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

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WO2024019514A1
WO2024019514A1 PCT/KR2023/010384 KR2023010384W WO2024019514A1 WO 2024019514 A1 WO2024019514 A1 WO 2024019514A1 KR 2023010384 W KR2023010384 W KR 2023010384W WO 2024019514 A1 WO2024019514 A1 WO 2024019514A1
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battery
cell
pack
conductive layer
case
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박진용
김승준
권우용
김인수
신송주
지호준
정세윤
이명우
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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 a device including the same, and more specifically, to a battery pack with improved energy density and cooling performance and enhanced safety and a device including the same.
  • secondary batteries that can be charged and discharged are a way to solve air pollution from existing gasoline vehicles that use fossil fuels, and are used in electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and plug-in hybrid electric vehicles ( As it is used as a power source for batteries such as P-HEV), the need for development of secondary batteries is increasing.
  • EV electric vehicles
  • HEV hybrid electric vehicles
  • P-HEV plug-in hybrid electric vehicles
  • lithium secondary batteries have the advantages of being able to charge and discharge freely, have a low self-discharge rate, and have high energy density. It's in the spotlight.
  • Such a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate each coated with a positive electrode active material and a negative electrode active material are disposed with a separator in between, and an exterior material, that is, a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte solution.
  • secondary batteries can be classified into can-type batteries in which the electrode assembly is built into a metal can and pouch-type batteries in which the electrode assembly is built in a pouch of an aluminum laminate sheet, depending on the shape of the exterior material.
  • a conventional battery pack includes one or more battery modules inside the pack case and a control unit that controls charging and discharging of the battery pack, such as a BMS (Battery Management System).
  • the battery module is configured to include a plurality of battery cells inside a module case. That is, in the case of a conventional battery pack, a plurality of battery cells (secondary batteries) are stored inside the module case to form each battery module, and one or more of these battery modules are stored inside the pack case to form a battery pack.
  • pouch-type batteries have advantages in many aspects, such as being light in weight and requiring less dead space when stacked, but they are vulnerable to external shocks and have somewhat poor assembly properties. Therefore, it is common for battery packs to be manufactured by first modularizing a number of cells and then storing them inside a pack case.
  • a plurality of pouch-type battery cells are first stored inside a module case to form a battery module, and then one or more of these battery modules are stored inside the pack case.
  • conventional battery modules include a stacking frame made of plastic, also called a cartridge, plates at both ends in the cell stacking direction, and fastening members such as bolts, as disclosed in the following prior literature (Korean Publication No. 10-2015-0044599).
  • multiple battery cells are stacked using various components.
  • the laminate formed in this way is again stored inside a module case and modularized.
  • conventional battery packs may be disadvantageous in terms of assembly.
  • a plurality of battery cells are modularized to form a battery module, and then the battery module is stored in a pack case. Therefore, there is a problem in that the battery pack manufacturing process becomes complicated.
  • the process and structure of forming a cell stack using stacking frames, bolts, plates, etc. can be very complicated.
  • venting of the gas inside the battery cell may occur due to heat generated from the battery cell.
  • gas venting outside the modularized battery cell and battery pack cause damage to the battery.
  • the safety of the pack cannot be secured.
  • capacity and output are improved by connecting multiple battery cells included in a conventional battery pack in series or parallel to each other to form a stack.
  • heat generated from multiple battery cells in a narrow space within the battery module is added up, resulting in the overall There is a problem where the temperature can rise more rapidly.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0044599 (Publication Date: April 27, 2015)
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a battery pack with improved energy density and cooling performance and enhanced safety, and a device including the same.
  • a battery pack includes a plurality of pouch-type battery cells stacked in one direction, a pack case for storing the battery cells in an internal space, and an internal space of the pack case, at least one of the plurality of battery cells. It includes a cell cover that at least partially surrounds some battery cells, and a thermally conductive sealing tape formed between the battery cells and the pack case.
  • the thermally conductive sealing tape may include a first conductive layer in contact with the battery cell, and a second conductive layer that adheres the first conductive layer to the pack case.
  • the first conductive layer may include a first thin film and a second thin film coated on both sides of the first thin film.
  • the first thin film may include a metal
  • the second thin film may include a polymer
  • the first thin film may include aluminum, and the second thin film may include polyimide.
  • the outermost one of the second thin films may be positioned in contact with the battery cell, and the remaining outermost one of the second thin films may be positioned in contact with the pack case.
  • the first thin film and the second thin film of the first conductive layer may have a multilayer structure.
  • the second conductive layer may include an adhesive and a plurality of thermally conductive pigment particles located within the adhesive.
  • the second conductive layer may be positioned in contact with the first conductive layer.
  • the adhesive may be positioned in contact with the first conductive layer, and the plurality of thermally conductive pigment particles may be positioned adjacent to the interface between the first conductive layer and the second conductive layer.
  • the plurality of thermally conductive pigment particles may be dispersed and positioned at the interface of the first conductive layer and the second conductive layer.
  • the plurality of thermally conductive pigment particles may be aluminum.
  • the thermally conductive sealing tape may be positioned in contact with a lower edge portion of the battery cell and the lower pack case.
  • a device includes the above-described battery pack.
  • multiple battery cells can be stably stored inside the pack case without the need for a stacking frame such as a plastic cartridge or a separate module case.
  • battery cells having a case made of a flexible material can be easily made into a sturdy form, so that a configuration in which they are directly stacked inside the pack case can be more easily implemented.
  • a configuration in which a plurality of battery cells are stacked side by side in the horizontal direction while standing vertically can be easily implemented.
  • the energy density of a battery pack can be improved.
  • the battery cells are directly stored in the pack case without being modularized, a module case for the module, etc. is unnecessary. Accordingly, by reducing the space occupied by the module case, more battery cells can be placed inside the pack case. Therefore, the energy density of the battery pack is further improved.
  • the assembling of the battery pack can be improved.
  • the process of preparing a battery module by storing battery cells in a module case, the process of storing one or more battery modules thus prepared in a pack case, etc. may not be performed. Accordingly, the manufacturing process can be simplified and manufacturing time can be reduced.
  • a configuration for changing the number of battery cells surrounded by a cell cover can be easily implemented.
  • the number of unit cells accommodated by the cell cover can be easily changed by changing the width of the cell cover. Therefore, in this case, changes in capacity or output by one cell cover can be easily made.
  • each cell unit for each cell unit, a configuration in which the bus bar or terminal of each unit is located on the side, top, or bottom of each cell cover can be easily implemented.
  • the cell cover in the process of storing a soft battery cell inside a pack case, can be held without directly holding the battery cell. Accordingly, the process of handling the battery cell can be performed more easily and safely. Moreover, in this case, it is possible to prevent the battery cells from being damaged or broken during cell handling, such as storing the battery cells inside the pack case.
  • the cooling efficiency of the battery pack can be further improved.
  • a portion of each battery cell is directly exposed to the pack case, so heat from each battery cell can be effectively discharged to the outside through the pack case.
  • a portion of each battery cell is in direct contact with the thermally conductive sealing tape, so the heat of each battery cell is transferred to the heat sink and pack case through the thermally conductive sealing tape and is effectively discharged to the outside. It can be.
  • the safety of the battery pack can be improved.
  • Figure 1 is a schematic perspective view showing some components of a battery pack separated according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exploded perspective view schematically showing some configurations of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an exploded perspective view schematically showing some configurations of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an exploded perspective view schematically showing a cell unit including a battery cell and a cell cover stored inside a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a perspective view showing the components of Figure 4 combined.
  • Figure 6 is a cross-sectional view of a thermally conductive sealing tape included in the battery pack of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing some components of a battery pack separated according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing a cell unit including a battery cell and a cell cover stored inside a battery pack according to an embodiment of the present invention, and
  • FIG. 5 shows the components of FIG. 4. This is a perspective view showing the combination.
  • a battery pack 1000 includes a battery cell 100, a cell cover 200, and a pack case 600.
  • a plurality of battery cells 100 may be included in a battery pack. And, these plurality of battery cells 100 may be stacked in at least one direction. For example, referring to what is shown in FIG. 1, a plurality of battery cells 100 may be stacked and arranged in a horizontal direction, for example, in a left-right direction (x-axis direction in the drawing). Additionally, the plurality of battery cells 100 may be arranged in the front-back direction (y-axis direction in the figure) as shown in FIG. 1 .
  • the plurality of battery cells 100 may be arranged horizontally, forming multiple rows in the left-right and horizontal directions.
  • a plurality of battery cells 100 are stacked in a form in which two cell rows are arranged in the left and right directions (x-axis direction) and two are provided in the front-back direction (y-axis direction). It can be.
  • the battery pack according to the present invention may employ various types of battery cells 100 known at the time of filing of the present invention.
  • the battery cell may be a pouch-type battery cell.
  • a pouch-type battery cell can be formed by storing an electrode assembly in a pouch case of a laminate sheet including a resin layer and a metal layer, and then fusing the outer periphery of the pouch case.
  • These battery cells may be formed into a rectangular sheet structure.
  • the structure of the battery cell is not limited to this, and various types of battery cells can be applied, so detailed description of the configuration of such battery cells will be omitted.
  • the pack case 600 has an empty space formed therein and can accommodate a plurality of battery cells 100.
  • the pack case 600 may include an upper pack case 610 and a lower pack case 620, as shown in FIG. 1 .
  • the lower pack case 620 is configured in the form of a box with an open top and can accommodate a plurality of battery cells in the internal space.
  • the upper pack case 610 may be configured in the form of a cover that covers the upper opening of the lower pack case 620. At this time, the upper pack case 610 may be configured in the form of a box with an open bottom.
  • the cell cover 200 along with a plurality of battery cells 100 can be accommodated in the internal space of the pack case 600.
  • the pack case 600 may be made of plastic or metal.
  • the pack case 600 can adopt exterior materials of various battery packs known at the time of filing the present invention.
  • the cell cover 200 may be configured to surround the battery cell 100 in the internal space of the pack case 600. That is, the cell cover 200 may be configured to cover at least some of the battery cells 100 included in the battery pack. Furthermore, the cell cover 200 may be provided to at least partially cover the battery cell 100.
  • the cell cover 200 may be configured to support the stacked state of the plurality of battery cells 100 inside the pack case 600 through a structure that surrounds the battery cells.
  • a plurality of battery cells 100 may be stacked in the horizontal direction (x-axis direction of the figure) as shown in FIG. 1 .
  • the cell cover 200 may be configured to stably maintain the stacked state of the plurality of battery cells 100 stacked in the horizontal direction.
  • a plurality of battery cells 100 can be directly seated and stored inside the pack case 600 without a module case.
  • the exterior material is made of a soft material, so it is vulnerable to external shock and has low hardness. Therefore, it is not easy to store the battery cell 100 itself inside the pack case 600 without storing it in the module case.
  • the plurality of battery cells 100 are combined with the cell cover 200 in a state in which at least a portion is surrounded by the cell cover 200, and are directly stored inside the pack case 600, The stacked state can be maintained stably.
  • the battery pack 1000 there is no need to additionally provide the battery pack 1000 with a module case, a stacking frame, or fastening members such as bolts for maintaining the stacked state of the cells. Accordingly, the space occupied by other components, such as a module case or a stacking frame, or the resulting space for securing tolerances can be eliminated. Therefore, since the battery cells can occupy more space as the space removed, the energy density of the battery pack can be further improved.
  • the volume and weight of the battery pack can be reduced and the manufacturing process can be simplified.
  • handling of the battery cell 100 may become easier.
  • the battery cells 100 may be held by a jig or the like.
  • the jig does not directly grip the battery cell 100, but can grip the cell cover 200 surrounding the battery cell 100. Accordingly, damage or breakage of the battery cell 100 caused by the jig can be prevented.
  • the cell cover 200 is coupled to the battery cell 100, so that the battery cell 100 can be effectively protected without a module case.
  • the cell cover 200 may be made of various materials to ensure rigidity.
  • the cell cover 200 may be made of a metal material. In the case of such a metal material, the stacked state of the battery cells 100 can be maintained more stably and the battery cells 100 can be more safely protected from external shock.
  • the cell cover 200 may be made of steel, or even stainless steel (SUS).
  • the cell cover 200 may be entirely made of SUS material.
  • the cell cover 200 when the cell cover 200 is made of a steel material, it has excellent mechanical strength and rigidity, so the stacked state of the battery cells 100 can be more stably supported. Additionally, in this case, it is possible to more effectively prevent damage or breakage of the battery cell 100 from external impacts, such as needles. Additionally, in this case, handling of the battery cell 100 may become easier.
  • the cell cover 200 when the cell cover 200 is made of a steel material, due to its high melting point, when a flame occurs from the battery cell 100, the overall structure can be stably maintained.
  • the melting point is higher than that of aluminum materials, so they do not melt even with flame emitted from the battery cell 100 and their shape can be stably maintained. Accordingly, excellent flame propagation prevention and delay effects between battery cells 100, venting control effects, etc. can be secured.
  • the cell cover 200 may be configured to surround one or more battery cells 100.
  • one cell cover 200 may be configured to cover one battery cell 100 or a plurality of battery cells 100.
  • the cell cover 200 is individually coupled to each battery cell 100 among the plurality of battery cells 100, or the cell cover 200 connects two or more battery cells 100. Can be configured to wrap together.
  • the cell cover 200 may be at least partially adhered to the outer surface of the battery cell 100.
  • the cell cover 200 may have an inner surface adhered to the receiving portion of the battery cell 100.
  • One or more cell covers 200 may be included in the battery pack.
  • the cell cover 200 may be configured to group and unitize a plurality of battery cells 100 included in the battery pack.
  • one cell cover 200 can be said to constitute one cell unit 10.
  • one cell unit 10 may include one or more battery cells 100.
  • the battery pack may include a plurality of cell units 10, and in this case, it can be said that a plurality of cell covers 200 are included in the battery pack.
  • the battery pack may include the same number of cell covers 200 as the number of battery cells 100.
  • the battery pack may include a smaller number of cell covers 200 than the number of battery cells 100.
  • the cell cover 200 may be configured to support a plurality of battery cells 100 in an upright state. As shown in FIG. 4, each battery cell 100 has two large surfaces, and the corners of the large surfaces may have sealing portions or folded portions of the pouch exterior material. Accordingly, it is generally difficult to stack the battery cells 100 in an upright position. However, in the battery pack according to the present invention, the cell cover 200 may be configured to surround one or more battery cells 100 and support the upright state, that is, the standing state, of the wrapped battery cells 100. there is.
  • the cell cover 200 may be configured so that a plurality of battery cells 100 can be stacked horizontally while standing vertically.
  • a plurality of cell covers 200 are stacked on each other in the horizontal direction, and each cell cover 200 includes one or more battery cells ( It may be configured to surround 100).
  • the configuration in which the plurality of battery cells 100 are stacked side by side in the horizontal direction when each is erected can be stably maintained by the cell cover 200.
  • the cell cover 200 can be configured to stand on its own in the internal space of the pack case 600.
  • the cell cover 200 can be configured to maintain an upright position on its own without the help of other components included in the battery pack, such as the pack case 600 or the battery cell 100.
  • the cell cover 200 may be directly seated on the bottom surface of the lower pack case 620 in the embodiment of FIG. 1 . At this time, a portion of the cell cover 200, particularly the lower end of the cell cover 200, may be seated in direct contact with the bottom surface of the lower pack case 620. In addition, when the lower end of the cell cover 200 is seated in this way, the cell cover 200 may be configured to maintain the seated state stably. At this time, when the cell cover 200 is made of a metal material with excellent rigidity such as steel, especially a SUS material, the self-standing state can be maintained more stably. Therefore, in this case, the upright state of the battery cell 100 can be supported more reliably.
  • the cell cover 200 may be configured to partially surround the battery cell 100 so that at least one side of the wrapped battery cell 100 is exposed to the outside. That is, the cell cover 200 may be configured to only partially cover the battery cell 100, rather than completely covering the entire battery cell 100. In particular, the cell cover 200 may be configured so that at least one side of the battery cell 100 is exposed toward the pack case.
  • the cell cover 200 is configured to surround one battery cell 100, and the wrapped battery cell 100, that is, accommodated in the internal space
  • the lower portion of the battery cell 100 may not be surrounded by the cell cover 200. Accordingly, the lower part of the battery cell 100 is exposed toward the pack case 600 and can directly face the pack case 600.
  • the lower part of the battery cell 100 may be exposed toward the bottom of the lower pack case 620.
  • the cooling performance of the battery pack can be secured more effectively.
  • the battery cell 100 and the pack case 600 may be in direct contact with each other. Accordingly, the heat emitted from each battery cell 100 is directly transferred to the pack case 600, and cooling performance can be improved. Additionally, in this case, since a separate cooling structure does not need to be provided between the battery cell 100 and the pack case 600, efficient cooling performance can be implemented. In this case, there may not be space between the battery cells 100 for a refrigerant such as air to flow in.
  • TIM Thermal Interface Material
  • TIM may be interposed to increase heat transfer performance between different components.
  • TIM may be charged between the battery cell 100 and the cell cover 200, between the cell cover 200 and the pack case 600, and/or between the battery cell 100 and the pack case 600. You can.
  • the cooling performance of the battery pack such as dual cooling performance, can be further improved.
  • the cell cover 200 may be configured to surround an edge portion that is not provided with an electrode lead among several edge portions of the battery cell 100 accommodated therein.
  • the battery cell 100 may be provided with two electrode leads 110, that is, a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • the two electrode leads 110 may be located at the front edge portion (y-axis direction) and the rear edge portion (-y-axis direction), respectively.
  • the cell cover 200 may be configured to surround one of the two remaining edge parts excluding the front edge part (y-axis direction) and the rear edge part (-y-axis direction).
  • the battery cell 100 may be said to be formed in an approximately hexahedron.
  • electrode leads 110 that is, a negative electrode lead and a positive electrode lead, may be formed on two of the six surfaces.
  • the cell cover 200 is provided to cover at least a portion of three of the four sides of the six-sided battery cell 100, excluding the two sides where the electrode leads 110 are formed.
  • a structure that supports and protects one or more battery cells 100 can be easily implemented as a single cell cover 200.
  • the lower edge portion (-z-axis direction) may be in direct contact with the pack case 600 without being surrounded by the cell cover 200. Accordingly, heat from the battery cell 100 surrounded by the cell cover 200 can be quickly and smoothly discharged toward the pack case 600 below. Accordingly, the cooling performance of the battery pack can be secured more effectively.
  • this configuration can be implemented more effectively when cooling is mainly performed at the bottom of the pack case 600.
  • cooling may occur mainly at the bottom of the pack case 600 because it is mounted at the bottom of the vehicle body.
  • heat is quickly transferred from each battery cell 100 to the pack case side. , cooling performance can be further improved.
  • the cell cover 200 can be said to be formed in a shape roughly similar to the letter n. And, through this shape, the cell cover 200 has the front side (y-axis direction) and the rear (-y-axis direction) side where the electrode lead protrudes, and the bottom with respect to the battery cell 100 accommodated therein. It can be said that it is configured to cover all parts except the side (-z-axis direction). That is, the cell cover 200 may be provided to cover the outer side (x-axis direction and -x-axis direction) and upper side (z-axis direction) of the storage portion of the battery cell accommodated therein.
  • the cell cover 200 may include an upper cover part 210, a first side cover part 220, and a second side cover part 230, as shown in FIG. 4. .
  • the upper cover part 210 may be configured to surround the upper part (z-axis direction) of the battery cell 100 accommodated therein.
  • the upper cover part 210 may be configured to contact or be spaced apart from the upper edge part (z-axis direction) of the battery cell 100.
  • the upper cover portion 210 may be configured in a flat shape. In this case, the upper cover portion 210 is formed in a straight horizontal cross-section and can surround the upper edge portion of the battery cell 100 in a straight line from the outside.
  • the first side cover part 220 may be configured to extend downward from one end of the upper cover part 210.
  • the first side cover part 220 may be configured to extend long from the left end (x-axis direction) of the upper cover part 210 in a downward direction (-z-axis direction in the drawing).
  • the first side cover portion 220 may be formed in a flat shape. At this time, the first side cover part 220 may be configured in a bent form from the upper cover part 210.
  • the first side cover portion 220 may be configured to surround the outside of one side of the storage portion of the battery cell 100 accommodated therein. For example, when one battery cell 100 is accommodated in the cell cover 200, the first side cover portion 220 moves the left surface (x-axis direction) of the housing portion of the accommodated battery cell 100 to the left side. It can be configured to surround in the (x-axis direction). Here, the first side cover portion 220 may be in direct contact with the outer surface of the receiving portion.
  • the second side cover part 230 may be positioned to be spaced apart from the first side cover part 220 in the horizontal direction. And, the second side cover part 230 may be configured to extend from the other end of the upper cover part 210 in the downward direction (-z-axis direction). For example, the second side cover part 230 may be configured to extend long from the right end (-x-axis direction) of the upper cover part 210 in the downward direction (-z-axis direction). Moreover, the second side cover part 230 may also be configured in a flat shape like the first side cover part 220. At this time, the first side cover part 220 and the second side cover part 230 can be said to be arranged parallel to each other while being spaced apart in the horizontal direction.
  • the second side cover portion 230 may be configured to surround the outside of the other side storage portion of the battery cell 100 accommodated therein.
  • the second side cover portion 230 covers the right surface (-x-axis direction) of the housing portion of the accommodated battery cell 100. It can be configured to wrap from the right side (-x-axis direction).
  • the second side cover portion 230 may be in direct contact with the outer surface of the receiving portion.
  • the internal space may be limited by the upper cover part 210, the first side cover part 220, and the second side cover part 230. Additionally, the cell cover 200 can accommodate one or more battery cells in this limited internal space.
  • the lower ends of the first side cover portion 220 and the second side cover portion 230 may contact the bottom surface of the pack case 600.
  • the contact configuration between the lower ends of the first side cover part 220 and the second side cover part 230 and the pack case 600 has a shape that extends long in the front-back direction (y-axis direction in the drawing). It can be formed as According to this embodiment, the self-supporting configuration of the cell cover 200, which can maintain the battery cell 100 accommodated therein in an upright state, can be implemented more stably.
  • first side cover part 220 and the second side cover part 230 may have the same height. That is, the first side cover part 220 and the second side cover part 230 may have the same length extending downward from the upper cover part 210. In this case, the self-standing configuration of the cell cover 200 can be more easily achieved.
  • the upper cover portion 210 may face the upper edge portion of the battery cell 100, and the first It can surround the upper edge portion together with the side cover portion 220 and the second side cover portion 230.
  • the cross-sectional area of the first side cover part 220 and the second side cover part 230 is larger than the cross-sectional area of the battery cell 100 where the first side cover part 220 and the second side cover part 230 face each other. It is provided in a large size to prevent the storage part from being exposed to the outside, ensuring maximum safety.
  • the cell cover 200 is shown and described focusing on an n-shaped configuration, but the cell cover 200 may be configured in various other shapes.
  • the cell cover 200 may be formed in various other shapes such as I-shape, U-shape, L-shape, etc.
  • the battery pack according to the present invention may further include a busbar assembly 300.
  • the bus bar assembly 300 may be configured to electrically connect a plurality of battery cells 100 to each other.
  • the bus bar assembly 300 may be coupled to the electrode lead 110 of the plurality of battery cells 100 to electrically connect the plurality of battery cells 100 in series and/or parallel.
  • the busbar assembly 300 includes a busbar terminal made of an electrically conductive material such as copper or aluminum and in direct contact with the electrode lead 110, and a busbar housing made of an electrically insulating material such as plastic and supporting the busbar terminal. can be provided.
  • the bus bar assembly 300 may also be included on both sides where the electrode leads 110 are provided.
  • the bus bar assembly 300 when the electrode lead 110 protrudes both on the front side (y-axis direction) and on the rear side (-y-axis direction), the bus bar assembly 300 also protrudes on the front side ( It can be located both on the y-axis direction) and on the rear side (-y-axis direction).
  • the bus bar assembly 300 may be combined with one or more cell covers 200. At this time, the bus bar assembly 300 may be coupled to the end of one cell cover 200. At this time, one cell cover 200 may accommodate one or more battery cells 100.
  • the busbar assembly 300 may be coupled to the cell cover 200 in various ways.
  • the bus bar assembly 300 may be coupled and fixed to the cell cover 200 through various fastening methods such as adhesive, welding, fitting, hook, bolting, and riveting.
  • the battery pack 1000 may further include an insulating cover portion 350.
  • the insulating cover portion 350 is made of an electrically insulating material, prevents the bus bar assembly 300 from being exposed to the outside by the end plate, and secures and maintains electrical insulation.
  • the battery pack according to the present invention may further include an end plate 400.
  • the end plate can secure the bus bar assembly 300 and the insulating cover portion 350 to secure the structural stability of the cell unit 10.
  • a hole through which the insulating cover portion 350 is exposed may be formed in the end plate 400, and in some cases, directional venting may be induced through the hole.
  • FIG. 2 and 3 are partial perspective views schematically showing some configurations of a battery pack according to an embodiment of the present invention. More specifically, FIG. 2 is a diagram showing a configuration in which a heat sink 550 is provided in the lower pack case 620 of a battery pack, and FIG. 3 shows a thermally conductive sealing tape 500 on the heat sink 550 of FIG. 2. ) is a drawing showing the applied configuration.
  • the pack case 600 may be provided with a heat sink 550.
  • the plurality of battery cells 100 to which the cell cover 200 is coupled may be thermally coupled to the heat sink 550 .
  • a heat sink 550 may be provided in the lower pack case 620 of the pack case 600.
  • the plurality of cell units 10 may be directly seated on the upper surface of the heat sink 550 .
  • the cell cover 200 and the battery cell 100 provided in each cell unit 10 may be seated in an upright direction with the lower end directly contacting the upper part of the heat sink 550.
  • a thermally conductive sealing tape 500 is provided between the pack case 600 and the plurality of battery cells 100, or between the heat sink 550 and the plurality of battery cells 100. may be involved.
  • a thermally conductive sealing tape 500 may be applied to the upper surface of the heat sink 550.
  • a plurality of cell units 10 that is, a plurality of battery cells 100 and a plurality of cell covers 200, are seated on the upper surface of the heat sink 550 to which the thermally conductive sealing tape 500 is applied. It can be.
  • the thermally conductive sealing tape 500 may be made of a material that conducts heat and has adhesive properties.
  • the thermally conductive sealing tape 500 may transfer heat to the heat sink 550 so that the heat generated in the battery cell 100 is dissipated through the heat sink 550.
  • the thermally conductive sealing tape 500 since the thermally conductive sealing tape 500 has adhesive properties, it can mechanically couple the cell cover 200 and/or the battery cell 100 to the heat sink 550.
  • the plurality of battery cells 100 to which the cell cover 200 is coupled may be directly seated on the upper surface of the heat sink 550 to which the thermally conductive sealing tape 500 is applied.
  • the plurality of cell units 10 can be stably coupled and fixed to the upper surface of the heat sink 550 by the thermally conductive sealing tape 500.
  • the battery cell 100 and the cell cover 200 included in each cell unit 10 have lengths in the up and down directions (z-axis direction and -z-axis direction) and in the left and right directions (x-axis direction and -x-axis direction). ) It can be formed longer than its width.
  • the battery cell 100 and the cell cover 200 can be said to be seated on the upper surface of the heat sink 550 in an erect state, that is, in an upright state.
  • the thermally conductive sealing tape 500 can maintain the upright state of the battery cell 100 and the cell cover 200 more stably.
  • thermally conductive sealing tape 500 may be formed as a component of the cell unit 10, as shown in FIG. 4.
  • the thermally conductive sealing tape 500 may be combined together to form the cell unit 10 when multiple components of the cell unit 10 are combined. Accordingly, the plurality of thermally conductive sealing tapes 500 formed on the cell unit 10 may be combined to finally form the thermally conductive sealing tape 500 shown in FIG. 3 . Additionally, the cell cover 200 and/or the battery cell 100 can be firmly coupled to the heat sink 550 by the thermally conductive sealing tape 500 formed on the cell unit 10.
  • thermally conductive sealing tape 500 included in the battery pack 1000 of the present invention will be described in more detail.
  • Figure 6 is a cross-sectional view of a thermally conductive sealing tape included in the battery pack of the present invention.
  • the thermally conductive sealing tape 500 may be positioned in contact with the battery cell 100 and the lower pack case 620.
  • the thermally conductive sealing tape 500 may be positioned in contact with the lower edge portion (-z-axis direction) of the battery cell 100 and the lower pack case 620.
  • the thermally conductive sealing tape 500 includes a thermally conductive material, a first conductive layer 510 in contact with the lower edge portion (-z-axis direction) of the battery cell 100, and an adhesive 521. , may include a second conductive layer 520 that adheres the first conductive layer 510 to the inner surface of the lower pack case 620 and/or the upper surface of the heat sink 550.
  • the first conductive layer 510 is a thermally conductive material, and includes a first thin film 511 containing a metal material, specifically aluminum, and second thin films 512a and 512b containing a polymer material, specifically polyimide. ) consists of a structure coated on both sides of the first thin film 511.
  • the outermost one 512a of the second thin films 512a and 512b may be in close contact with the lower edge of the battery cell 100, and the remaining one 512b may be attached to the inner surface and inner surface of the lower pack case 620. /Or it may be in contact with the upper surface of the heat sink 550.
  • the first conductive layer 510 may have a multi-layer structure consisting of a first thin film 511 made of a metal material and second thin films 512a and 512b made of a polymer material.
  • each layer can be as follows.
  • the first thin film 511 it can be expected to play a central role in heat conduction.
  • the first thin film 511 is a thermally conductive material and is formed to include a metal material, specifically aluminum, thereby ensuring thermal conductivity of the thermally conductive sealing tape 500. Additionally, the first thin film 511 may play a central role in transferring heat transferred from the battery cell 100 to the heat sink 550.
  • the second thin film 512a in close contact with the lower edge of the battery cell 100, electrical insulation can be ensured and the lower edge of the battery cell 100 can be covered.
  • the lower edge portion of the battery cell 100 included in the cell unit 10 may be formed to be exposed without being covered by a separate configuration, and when introduced into the battery pack 1000, the thermally conductive sealing tape 500 ), the possibility of damage to the cell unit 10 can be further reduced by being primarily protected by the second thin film 512a, etc.
  • the electrical insulation of the cell unit 10 is further improved, and some parts of the first thin film 511 of the first conductive layer 510 are not covered by the second conductive layer 520, thereby weakening the electrical insulation.
  • a second thin film 512b may be formed in contact with the second conductive layer 520. That is, the second conductive layer 520 may be positioned in contact with the first conductive layer 510.
  • the second conductive layer 520 may contain an adhesive 521 and, in particular, may include thermally conductive pigment particles 522 dispersed in the adhesive 521.
  • the thermally conductive pigment particles 522 may be aluminum with excellent thermal conductivity, and may be dispersed in a region adjacent to the interface between the second conductive layer 520 and the first conductive layer 510. At this time, the thermally conductive pigment particles 522 are dispersed at the interface between the second conductive layer 520 and the first conductive layer 510, thereby ensuring uniform thermal conductivity of the second conductive layer 520. .
  • the thermally conductive pigment particles 520 are not formed at a location adjacent to the interface of the second conductive layer 520 and the first conductive layer 510, or the second conductive layer 520 and the first conductive layer ( Even if it is formed at a location adjacent to the interface of 510), if it is not dispersed, the thermal conductivity of the second conductive layer 520 is not secured, or heat conductivity exists only at local locations and heat is transmitted from the first conductive layer 510. It is difficult to effectively transfer the heat to the pack case 600 and/or the heat sink 550.
  • the heat conductive pigment is formed at the area adjacent to the interface between the second conductive layer 520 and the first conductive layer 510. As the particles 522 are dispersed, heat conduction from the first conductive layer 510 to the second conductive layer 520 through the thermally conductive pigment particles 522 may be promoted.
  • the second conductive layer 520 adheres the first conductive layer 510, which is in close contact with the lower edge of the battery cell 100, to the upper surface of the pack case 600 or the heat sink 550.
  • the cell unit 10 can be fixed inside the pack case 600.
  • the second conductive layer 520 includes not only the adhesive 521 but also thermally conductive pigment particles 522 and has thermal conductivity like the first conductive layer 510, so that the first conductive layer 510 The heat transferred to can be smoothly transferred to the second conductive layer 520 and the heat sink 550.
  • the thermally conductive sealing tape 500 included in the battery pack 1000 has not only thermal conductivity but also adhesiveness, so that heat generated from the battery cell 100 is transmitted to the heat sink 550 and the pack. Not only is it delivered to the case 600, but the battery cell 100, the cell cover 200, and the cell unit 10 containing them are stably fixed on the pack case 600 to ensure the stability of the battery pack 1000. It can be greatly improved.
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention adds a battery management system (BMS) and/or a cooling device that manages the temperature or voltage of the battery, etc. It can be included as .
  • BMS battery management system
  • a cooling device that manages the temperature or voltage of the battery, etc. It can be included as .
  • the battery pack according to an embodiment of the present invention can be applied to various devices.
  • a device to which a battery pack is applied may be a means of transportation such as an electric bicycle, electric car, or hybrid car.
  • the above-described devices are not limited thereto, and the battery pack according to this embodiment can be used in various devices other than the above-described examples, which also fall within the scope of the present invention.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 일 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀들, 내부 공간에 상기 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스, 상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 일부 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버, 및 상기 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 사이에 형성되는 열 전도성 실링 테이프를 포함한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2022년 7월 20일자 한국 특허 출원 제10-2022-0089847호 및 2023년 6월 20일자 한국 특허 출원 제10-2023-0079008호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 에너지 밀도와 냉각 성능이 향상되고, 안전성이 강화된 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
현대 사회에서는 휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등의 휴대형 기기의 사용이 일상화되면서, 상기와 같은 모바일 기기와 관련된 분야의 기술에 대한 개발이 활발해지고 있다. 또한, 충방전이 가능한 이차 전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 등의 대기 오염 등을 해결하기 위한 방안으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(P-HEV) 등의 동력원으로 이용되고 있는 바, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 높아지고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는, 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 전기 자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 장치에 구동용이나 에너지 저장용으로 배터리 팩이 널리 사용되고 있다. 종래 배터리 팩은, 팩 케이스 내부에 하나 이상의 전지 모듈과 배터리 팩의 충방전을 제어하는 제어 유닛, 이를테면 BMS(Battery Management System)를 포함한다. 여기서, 전지 모듈은, 모듈 케이스의 내부에 다수의 배터리 셀을 포함하는 형태로 구성된다. 즉, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 모듈 케이스 내부에 수납되어 각각의 전지 모듈을 구성하고, 이러한 전지 모듈이 하나 이상 팩 케이스 내부에 수납되어 배터리 팩을 구성한다
특히, 파우치형 전지의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 다수의 셀을 먼저 모듈화시킨 후, 팩 케이스의 내부에 수납되는 형태로 배터리 팩이 제조되는 것이 일반적이다. 대표적인 예로서, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 파우치형 배터리 셀을 먼저 모듈 케이스 내부에 수납하여 전지 모듈을 구성한 후, 이러한 전지 모듈을 하나 이상 팩 케이스의 내부에 수납하는 형태로 구성된다. 더욱이, 종래 전지 모듈은, 아래의 선행문헌(한국공개번호 제10-2015-0044599호) 등에 개시된 바와 같이, 카트리지라고도 불리는 플라스틱 재질의 적층용 프레임, 셀 적층 방향 양단의 플레이트, 볼트와 같은 체결 부재 등 여러 구성요소를 이용하여 다수의 배터리 셀을 적층시키는 경우가 많다. 그리고, 이와 같이 형성된 적층체는, 다시 모듈 케이스 내부에 수납되어 모듈화되는 경우도 많다.
하지만, 이와 같은 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도 측면에서 불리할 수 있다. 대표적으로, 다수의 배터리 셀을 모듈 케이스 내부에 수납하여 모듈화시키는 과정에서, 모듈 케이스 또는 적층용 프레임 등 여러 구성요소로 인해 배터리 팩의 부피가 불필요하게 증가하거나 배터리 셀이 차지하는 공간이 줄어들 수 있다. 더욱이, 모듈 케이스나 적층용 프레임 등의 구성요소 자체가 차지하는 공간은 물론이고, 이러한 구성요소들에 대한 조립 공차를 확보하기 위해 배터리 셀의 수납 공간이 줄어들 수 있다. 따라서, 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도를 높이는데 한계가 생길 수 있다.
또한, 종래 배터리 팩의 경우, 조립성 측면에서도 불리할 수 있다. 특히, 배터리 팩을 제조하기 위해서는, 먼저 다수의 배터리 셀을 모듈화시켜 전지 모듈을 구성한 후, 전지 모듈을 팩 케이스에 수납하는 과정을 거치게 되므로, 배터리 팩의 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 더욱이, 상기 선행문헌에 개시된 바와 같이, 적층용 프레임 및 볼트, 플레이트 등을 이용하여 셀 적층체를 형성하는 공정 및 구조가 매우 복잡할 수 있다.
또한, 종래 배터리 팩의 경우, 팩 케이스 내부에 모듈 케이스가 수납되고, 모듈 케이스 내부에 배터리 셀이 수납되므로, 우수한 냉각성을 확보하기 어렵다는 문제도 있다. 특히, 모듈 케이스 내부에 수납된 배터리 셀들의 열을 모듈 케이스를 거쳐 팩 케이스 외부로 배출시키는 경우, 냉각 효율이 떨어지고, 냉각 구조도 복잡해질 수 있다.
또한, 배터리 셀로부터 발생하는 열 등에 의해 배터리 셀 내부 기체의 벤팅(venting)이 발생할 수 있다. 이때, 기체 벤팅을 위한 구조가 마련되지 않을 경우 일정한 방향성이 없이 배터리 셀로부터 기체가 벤팅되고 인접 배터리 셀의 손상 가능성이 커질 뿐만 아니라, 모듈화된 배터리 셀 및 배터리 팩 외부로 방출되는 기체 벤팅으로 인해 배터리 팩의 안전성을 확보할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래 배터리 팩에 포함되는 다수의 배터리 셀이 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 적층체를 형성함으로써 용량 및 출력이 향상되나, 배터리 모듈 내 좁은 공간에서 다수의 배터리 셀로부터 발생하는 열이 합산됨으로써 전체 온도가 더욱 빠르게 상승될 수 있는 문제가 있다.
선행기술문헌
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2015-0044599호 (공개일자: 2015년 04월 27일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 에너지 밀도와 냉각 성능이 향상되고, 안전성이 강화된 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고, 기재되지 않은 다른 과제들은 본 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있는 범위에서 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 일 방향으로 적층된 복수의 파우치형 배터리 셀들, 내부 공간에 상기 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스, 상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 일부 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버, 및 상기 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 사이에 형성되는 열 전도성 실링 테이프를 포함한다.
상기 열 전도성 실링 테이프는, 상기 배터리 셀과 접하는 제1 전도층, 및 상기 제1 전도층을 상기 팩 케이스에 접착시키는 제2 전도층을 포함할 수 있다.
상기 제1 전도층은, 제1 박막과, 상기 제1 박막의 양면에 코팅된 제2 박막을 포함할 수 있다.
상기 제1 박막은 금속을 포함하고, 상기 제2 박막은 고분자를 포함할 수 있다.
상기 제1 박막은 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 박막은 폴리이미드를 할 수 있다.
상기 제2 박막 중 최외측의 하나는, 상기 배터리 셀과 접하면서 위치하고, 상기 제2 박막 중 최외측의 나머지 하나는, 상기 팩 케이스와 접하면서 위치할 수 있다.
상기 제1 전도층의 상기 제1 박막 및 상기 제2 박막은, 다층 구조일 수 있다.
상기 제2 전도층은, 접착제, 및 상기 접착제 내에 위치하는 복수의 열 전도성 피그먼트 입자를 포함할 수 있다.
상기 제2 전도층은, 상기 제1 전도층과 접하면서 위치할 수 있다.
상기 접착제는, 상기 제1 전도층과 접하면서 위치하고, 상기 복수의 열 전도성 피그먼트 입자는, 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층의 계면과 인접한 부위에 위치할 수 있다.
상기 복수의 열 전도성 피그먼트 입자는, 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층의 계면에 분산되어 위치할 수 있다.
상기 복수의 열 전도성 피그먼트 입자는 알루미늄일 수 있다.
상기 열 전도성 실링 테이프는, 상기 배터리 셀의 하부측 에지부, 및 상기 하부 팩 케이스와 접하면서 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 디바이스는, 상술한 배터리 팩을 포함한다.
실시예들에 따르면, 플라스틱 카트리지와 같은 적층용 프레임이나 별도의 모듈 케이스 등의 구성이 없이도, 다수의 배터리 셀을 팩 케이스 내부에 안정적으로 수납할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 일 측면에 의하면, 연성 재질 케이스를 갖는 배터리 셀을 쉽게 견고한 형태로 만들어, 팩 케이스 내부에서 직접 적층되는 구성이 보다 용이하게 구현될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 다수의 배터리 셀을 상하 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향으로 나란하게 적층시키는 구성이 용이하게 구현될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 팩의 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀을 모듈화하지 않고 팩 케이스에 직접 수납하므로, 모듈의 모듈 케이스 등이 불필요하다. 따라서, 이러한 모듈 케이스가 차지하는 공간을 줄여, 팩 케이스 내부에 더욱 더 많은 배터리 셀이 배치될 수 있다. 그러므로 배터리 팩의 에너지 밀도가 더욱 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 팩의 조립성이 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 모듈 케이스에 배터리 셀을 수납하여 전지 모듈을 마련하는 공정, 이와 같이 마련된 전지 모듈을 하나 이상 팩케이스에 수납하는 공정 등이 수행되지 않을 수 있다. 따라서, 제조 공정이 간소화되고, 제조 시간이 줄어들 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 셀 커버에 의해 감싸지는 배터리 셀의 개수를 변경하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 셀 커버의 폭을 변경함으로써, 셀 커버에 의해 수용되는 단위 셀 개수를 쉽게 변경할 수 있다. 따라서, 이 경우, 하나의 셀 커버에 의한 용량이나 출력에 대한 변경이 쉽게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 각각의 셀 유닛에 대하여, 버스바나 각 유닛의 단자를, 각 셀 커버의 측면이나 상부 또는 하부 등에 위치시키는 구성이 쉽게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 연질의 배터리 셀을 팩 케이스 내부에 수납시키는 과정에서, 배터리 셀을 직접 파지하지 않고 셀 커버를 파지할 수 있다. 따라서, 배터리 셀을 핸들링하는 공정이 보다 용이하고 안전하게 이루어질 수 있다. 더욱이, 이 경우, 배터리 셀을 팩 케이스 내부에 수납하는 등 셀의 핸들링 과정에서, 배터리 셀이 손상되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 팩의 냉각 효율이 보다 향상될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예의 경우, 각 배터리 셀의 일부가 팩 케이스에 직접 노출되므로, 각 배터리 셀의 열이 팩 케이스를 통해 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 각 배터리 셀의 일부가 열 전도성 실링 테이프와 직접 접촉하므로, 각 배터리 셀의 열이 열 전도성 실링 테이프를 통해 히트 싱크 및 팩 케이스로 전달되어 외부로 효과적으로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 팩의 안전성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 분리하여 나타낸 개략적인 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부에 수납되는 배터리 셀과 셀 커버의 구성을 포함하는 셀 유닛을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는, 도 4의 구성요소를 결합한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 배터리 팩에 포함되는 열 전도성 실링 테이프의 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 설명한 것 외에 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 발명의 범위는 여기에서 설명하는 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 확대하거나 축소하여 나타낸 것이므로, 본 발명의 내용이 도시된 바에 한정되지 않음은 자명하다. 이하의 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 각 층의 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 이하의 도면에서는 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명할 때, 이는 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 이와 반대로 해당하는 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 설명할 때에는 그 사이에 다른 부분이 없는 것을 의미할 수 있다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다. 한편, 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 설명하는 것과 마찬가지로, 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 설명하는 것 또한 상술한 내용을 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 해당 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 분리하여 나타낸 개략적인 사시도이다. 그리고, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부에 수납되는 배터리 셀과 셀 커버의 구성을 포함하는 셀 유닛을 개략적으로 나타내는 분해 사시도이며, 도 5은, 도 4의 구성요소를 결합한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은, 배터리 셀(100), 셀 커버(200) 및 팩 케이스(600)를 포함한다.
배터리 셀(100)은, 배터리 팩에 복수 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 복수의 배터리 셀(100)은, 적어도 일 방향으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바를 참조하면, 복수의 배터리 셀(100)은, 수평 방향, 이를테면 좌우 방향(도면의 x축 방향)으로 적층 배치될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전후 방향(도면의 y축 방향)으로 배치될 수도 있다.
더욱이, 복수의 배터리 셀(100)은, 수평 방향으로 배치되되, 좌우 방향 및 수평 방향으로 다수의 열을 이루는 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바를 참조하면, 복수의 배터리 셀(100)은, 좌우 방향(x축 방향)으로 배치된 셀 열이 전후 방향(y축 방향)으로 2개 구비된 형태로 적층 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 배터리 셀(100)을 채용할 수 있다. 일 예로, 배터리 셀은 파우치형 배터리 셀일 수 있다. 이러한 파우치형 배터리 셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 파우치 케이스에 전극 조립체를 수납한 뒤, 상기 파우치 케이스의 외주부를 융착하여 형성될 수 있다. 이러한 배터리 셀은 장방형 시트 구조로 형성될 수 있다. 그러나 배터리 셀의 구조는 이에 한정되지 않고, 다양한 종류의 배터리 셀이 적용될 수 있으며, 따라서 이러한 배터리 셀의 구성 등에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
팩 케이스(600)는, 내부에 빈 공간이 형성되어, 복수의 배터리 셀(100)을 수납할 수 있다. 예를 들어, 팩 케이스(600)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 팩 케이스(610)와 하부 팩 케이스(620)를 구비할 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 하부 팩 케이스(620)는 상단이 개방된 박스 형태로 구성되어 내부 공간에 다수의 배터리 셀을 수납할 수 있다. 그리고, 상부 팩 케이스(610)는 하부 팩 케이스(620)의 상단 개방부를 커버하는 덮개 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상부 팩 케이스(610)는, 하단이 개방된 박스 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 이러한 팩 케이스(600)의 내부 공간에는, 복수의 배터리 셀(100)과 함께 셀 커버(200)도 수납될 수 있다. 팩 케이스(600)는, 플라스틱 또는 금속 재질을 구비할 수 있다. 그 밖에도, 팩 케이스(600)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩의 외장재 재질을 채용할 수 있다.
셀 커버(200)는, 팩 케이스(600)의 내부 공간에서, 배터리 셀(100)을 감싸도록 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(200)는, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀(100)들 중, 적어도 일부 배터리 셀을 감싸도록 구성될 수 있다. 더욱이, 셀 커버(200)는, 배터리 셀(100)을 적어도 부분적으로 감싸도록 마련될 수 있다.
그리고, 셀 커버(200)는, 이와 같이 배터리 셀을 감싸는 구조를 통해, 팩 케이스(600) 내부에서 복수의 배터리 셀(100)들의 적층 상태를 지지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(100)들은, 도 1에 도시된 바와 같이, 수평 방향(도면의 x축 방향)으로 적층될 수 있다. 이때, 셀 커버(200)는, 이와 같이 수평 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀(100)들의 적층 상태가 안정적으로 유지되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스 없이, 복수의 배터리 셀(100)들이 팩 케이스(600) 내부에 직접 안착되어 수납될 수 있다. 특히, 배터리 셀(100)들의 경우, 외장재가 연성 재질로 제작되어 외부 충격에 취약하고 또한 경도가 낮다고 할 수 있다. 따라서, 모듈 케이스에 수납하지 않고 배터리 셀(100) 자체만으로 팩 케이스(600) 내부에 수납하는 것이 용이하지 않다. 하지만, 본 발명의 경우, 복수의 배터리 셀(100)들은, 셀 커버(200)에 의해 적어도 일부분이 감싸진 상태로 셀 커버(200)와 결합되어, 팩 케이스(600) 내부에 직접 수납되며, 그 적층 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 팩(1000)에 모듈 케이스나 적층용 프레임, 셀의 적층 상태를 유지하기 위한 볼트 등의 체결 부재 등이 추가로 구비될 필요가 없다. 따라서, 모듈 케이스나 적층용 프레임 등 다른 구성요소가 차지하는 공간이나 그로 인한 공차 확보를 위한 공간이 제거될 수 있다. 그러므로, 제거된 공간만큼 배터리 셀이 더 공간을 차지할 수 있으므로, 배터리 팩의 에너지 밀도가 보다 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 모듈 케이스나 적층용 프레임, 볼트 등이 구비되지 않으므로, 배터리 팩의 부피나 무게가 감소되고, 제조 공정이 간소화될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 셀(100)의 핸들링이 보다 용이해질 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(100)을 팩 케이스 내부에 수납하는 경우, 지그 등에 의해 배터리 셀(100)이 파지될 수 있다. 이에 반해, 본 발명의 경우, 지그는 배터리 셀(100)을 직접 파지하지 않고, 배터리 셀(100)을 감싸고 있는 셀 커버(200)를 파지할 수 있다. 따라서, 지그에 의한 배터리 셀(100)의 손상이나 파손이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 배터리 셀(100)에 셀 커버(200)가 결합되어, 모듈 케이스 없이도 배터리 셀(100)을 효과적으로 보호할 수 있다.
셀 커버(200)는, 강성 확보를 위해, 다양한 재질로 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(200)는, 금속 재질로 구성될 수 있다. 이러한 금속 재질의 경우, 배터리 셀(100)들의 적층 상태를 보다 안정적으로 유지하며, 외부 충격으로부터 배터리 셀(100)들을 보다 안전하게 보호할 수 있다. 특히, 셀 커버(200)는, 스틸 재질, 더욱이 스테인리스 스틸(SUS) 재질을 구비할 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(200)는, 전체적으로 SUS 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 셀 커버(200)가 스틸 재질로 이루어지는 경우, 기계적 강도 내지 강성이 우수하므로, 배터리 셀(100)들의 적층 상태를 보다 안정적으로 지지할 수 있다. 또한, 이 경우, 외부의 충격, 이를테면 침상체 등으로부터 배터리 셀(100)의 손상이나 파손을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 뿐만 아니라, 이 경우, 배터리 셀(100)의 핸들링이 보다 용이해질 수 있다.
또한, 상기 실시예와 같이, 셀 커버(200)가 스틸 재질로 이루어지는 경우, 높은 용융점으로 인해, 배터리 셀(100)로부터 화염 발생 시, 전체적인 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. 특히, 스틸 재질의 경우, 알루미늄 재질에 비해 녹는점이 높으므로, 배터리 셀(100)로부터 분출된 화염에도 용융되지 않고, 그 형태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100) 간 화염 전파 방지 내지 지연 효과, 벤팅 제어 효과 등이 우수하게 확보될 수 있다.
셀 커버(200)는, 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(100)을 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 셀 커버(200)는, 하나의 배터리 셀(100) 또는 복수의 배터리 셀(100)을 감싸도록 구성될 수 있다. 이 경우, 복수의 배터리 셀(100)들 중 각각의 배터리 셀(100)마다 셀 커버(200)가 개별적으로 결합되거나, 또는, 셀 커버(200)는, 둘 또는 그 이상의 배터리 셀(100)을 함께 감싸도록 구성될 수 있다.
셀 커버(200)는, 배터리 셀(100)의 외측 표면에 적어도 부분적으로 접착될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(200)는, 배터리 셀(100)의 수납부에 내측 표면이 접착될 수 있다.
셀 커버(200)는, 배터리 팩에 하나 또는 다수 포함될 수 있다. 특히, 셀 커버(200)는, 배터리 팩에 포함된 복수의 배터리 셀(100)들을 그룹핑하여 유닛화하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 하나의 셀 커버(200)는, 하나의 셀 유닛(10)을 구성한다고 할 수 있다. 그리고, 하나의 셀 유닛(10)에는, 하나 또는 다수의 배터리 셀(100)이 포함될 수 있다. 배터리 팩에는 다수의 셀 유닛(10)이 포함될 수 있으며, 이 경우 셀 커버(200)는 배터리 팩에 다수 포함된다고 할 수 있다. 일례로, 셀 커버(200)가 하나의 배터리 셀(100)을 감싸는 형태로 구성된 경우, 배터리 팩에는 배터리 셀(100)의 개수와 동일한 개수의 셀 커버(200)가 포함될 수 있다. 다른 예로, 셀 커버(200)가 둘 이상의 배터리 셀(100)을 감싸는 형태로 구성된 경우, 배터리 팩에는 배터리 셀(100)의 개수보다 작은 개수의 셀 커버(200)가 포함될 수 있다.
셀 커버(200)는, 복수의 배터리 셀(100)들을 세워진 상태로 지지하도록 구성될 수 있다. 각각의 배터리 셀(100)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 넓은 표면을 가지며, 넓은 표면의 모서리 부분은 파우치 외장재의 실링부나 접혀진 부분이 존재할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)은 일반적으로 상하 방향으로 세워진 형태로 적층시키는 것이 어렵다. 하지만, 본 발명에 따른 배터리 팩에서, 셀 커버(200)는, 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(100)을 감싸면서, 감싸진 배터리 셀(100)의 세워진 상태, 즉 기립 상태를 지지하도록 구성될 수 있다.
특히, 셀 커버(200)는, 다수의 배터리 셀(100)이 상하 방향으로 세워진 상태에서 수평 방향으로 적층될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예와 같이, 다수의 셀 커버(200)는 수평 방향으로 상호 적층되고, 각각의 셀 커버(200)는 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(100)을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 셀 커버(200)에 의해, 다수의 배터리 셀(100)이 각각 세워진 상태에서 수평 방향으로 나란하게 적층된 구성이 안정적으로 유지될 수 있다.
특히, 셀 커버(200)는, 팩 케이스(600)의 내부 공간에서, 자립 가능하게 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(200)는, 팩 케이스(600)나 배터리 셀(100) 등, 배터리 팩에 구비되는 다른 구성요소의 도움 없이도, 스스로 기립 상태를 유지하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 셀 커버(200)는, 도 1의 실시예에서, 하부 팩 케이스(620)의 바닥면에 직접 안착될 수 있다. 이때, 셀 커버(200)의 일부, 특히, 셀 커버(200)의 하단부가 하부 팩 케이스(620)의 바닥면에 직접 접촉하여 안착될 수 있다. 그리고, 셀 커버(200)는, 이와 같이 하단부가 안착된 경우, 안착 상태가 안정적으로 유지되도록 구성될 수 있다. 이때, 셀 커버(200)는, 스틸과 같이 강성이 우수한 금속 재질, 특히 SUS 재질로 구성되는 경우, 자립 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 이 경우, 배터리 셀(100)의 기립 상태가 보다 확실하게 지지될 수 있다.
셀 커버(200)는, 감싸진 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 외부로 노출되도록 배터리 셀(100)을 부분적으로 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 셀 커버(200)는, 배터리 셀(100)을 전체적으로 완전히 감싸지 않고, 일부 분만 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 특히, 셀 커버(200)는, 배터리 셀(100)의 적어도 일측이 팩 케이스를 향하여 노출되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 4 및 도 5의 실시예를 참조하면, 셀 커버(200)는, 하나의 배터리 셀(100)을 감싸는 형태로 구성되되, 감싸진 배터리 셀(100), 즉 내부 공간에 수용된 배터리 셀(100)의 하부는 셀 커버(200)에 의해 감싸지지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)의 하부는 팩 케이스(600)를 향해 노출되어, 팩 케이스(600)에 직접 대면할 수 있다. 특히, 도 1의 실시예를 참조하면, 배터리 셀(100)의 하부는, 하부 팩 케이스(620)의 바닥면을 향해 노출될 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 팩의 냉각 성능이 보다 효과적으로 확보될 수 있다. 특히, 상기 실시예에 의하면, 배터리 셀(100)과 팩 케이스(600)가 직접 대면 접촉될 수 있다. 따라서, 각각의 배터리 셀(100)로부터 방출된 열이 팩 케이스(600)로 직접 전달되어, 냉각 성능이 향상될 수 있다. 또한, 이 경우, 배터리 셀(100)과 팩 케이스(600) 사이에 별도의 냉각 구조가 구비되지 않아도 되므로, 효율적인 냉각 성능이 구현될 수 있다. 그리고, 이 경우, 배터리 셀(100) 사이에 공기 등의 냉매가 유입되기 위한 공간이 마련되지 않을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩에서, 서로 다른 구성요소 사이에 열 전달 성능을 높이기 위해, TIM(Thermal Interface Material)이 개재될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(100)과 셀 커버(200) 사이, 셀 커버(200)와 팩 케이스(600) 사이, 및/또는 배터리 셀(100)과 팩 케이스(600) 사이에 TIM이 충진될 수 있다. 이 경우, 배터리 팩의 냉각 성능, 이를테면 듀얼 쿨링 성능 등이 더욱 향상될 수 있다.
특히, 셀 커버(200)는, 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 여러 에지부 중, 전극 리드가 구비되지 않은 에지부를 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 실시예를 참조하면, 배터리 셀(100)은 2개의 전극 리드(110), 즉 양극 리드와 음극 리드를 구비할 수 있다. 이때, 2개의 전극 리드(110)는, 전방측 에지부(y축 방향)와 후방측 에지부(-y축 방향)에 각각 위치할 수 있다. 이때, 셀 커버(200)는, 이러한 전방측 에지부(y축 방향)와 후방측 에지부(-y축 방향)를 제외한 나머지 2개의 에지부 중 하나를 감싸는 형태로 구성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 배터리 셀(100)은 대략 6면체로 형성된 다고 할 수도 있다. 그리고, 6면 중 2개의 면에 전극 리드(110), 즉 음극 리드와 양극 리드가 각각 형성될 수 있다. 그리고, 셀 커버(200)는 6면의 배터리 셀(100)에서 전극 리드(110)가 형성된 2면을 제외한 나머지 4면 중 3면의 적어도 일부를 감싸도록 마련된다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 하나의 셀 커버(200)로서, 하나 또는 그 이상의 배터리 셀(100)들을 지지하고 보호하는 구성이 용이하게 구현될 수 있다. 특히, 상기 실시예에 의하면, 하부측 에지부(-z축 방향)는 셀 커버(200)에 의해 감싸지지 않고 팩 케이스(600)와 직접 대면 접촉될 수 있다. 따라서, 셀 커버(200)에 의해 감싸진 배터리 셀(100)의 열이 하부의 팩 케이스(600) 측으로 신속하고 원활하게 배출될 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 냉각 성능이 보다 효과적으로 확보될 수 있다.
특히, 이와 같은 구성은, 팩 케이스(600)의 하부에서 냉각이 주로 이루어지는 경우, 보다 효과적으로 실시될 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 장착되는 배터리 팩의 경우, 차체의 하부에 장착되므로, 팩 케이스(600)의 하부에서 주로 냉각이 이루어질 수 있다. 이때, 상기 실시예와 같이, 각 배터리 셀(100)의 하부측 에지부(-z축 방향)가 팩 케이스에 대면 접촉되는 경우, 각 배터리 셀(100)로부터 팩 케이스 측으로 열이 신속하게 전달되어, 냉각 성능이 보다 향상될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 셀 커버(200)는 대략 n 자와 유사한 형상으로 형성된다고 할 수 있다. 그리고, 셀 커버(200)는, 이와 같은 형상을 통해, 내부에 수용된 배터리 셀(100)에 대하여, 전극 리드가 돌출된 전방측(y축 방향)과 후방(-y축 방향)측, 그리고 하부측(-z축 방향)을 제외한 다른 부분을 덮도록 구성된다고 할 수 있다. 즉, 셀 커버(200)는, 내부에 수용된 배터리 셀의 수납부의 외측(x축 방향 및 -x축 방향) 및 상부측(z축 방향)을 덮도록 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 셀 커버(200)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상측커버부(210), 제1 측면커버부(220), 및 제2 측면커버부(230)를 포함할 수 있 다.
여기서, 상측커버부(210)는 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 상부(z축 방향)를 감싸도록 구성될 수 있다. 특히, 상측커버부(210)는, 배터리 셀(100)의 상부측 에지부(z축 방향)에 접촉되거나 이격되는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상측커버부(210)는, 평면 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 상측커버부(210)는, 단면이 수평 방향의 직선 형상으로 형성되어, 배터리 셀(100)의 상부측 에지부를 외측에서 직선 형태로 감쌀 수 있다.
제1 측면커버부(220)는, 상측커버부(210)의 일단으로부터 하부 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 측면커버부(220)는, 상측커버부(210)의 좌측 단부(x축 방향)에서 하부 방향(도면의 -z축 방향)으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 제1 측면커버부(220)는, 평면 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제1 측면커버부(220)는, 상측커버부(210)에서 벤딩된 형태로 구성될 수 있다.
그리고, 제1 측면커버부(220)는, 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 일측 수납부의 외측을 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(200)에 하나의 배터리 셀(100)이 수용된 경우, 제1 측면커버부(220)는, 수용된 배터리 셀(100)의 수납부의 좌측 표면(x축 방향)을 좌측(x축 방향)에서 감싸도록 구성될 수 있다. 여기서, 제1 측면커버부(220)는, 수납부의 외측 표면에 직접 접촉될 수 있다.
제2 측면커버부(230)는, 제1 측면커버부(220)로부터 수평 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 그리고, 제2 측면커버부(230)는, 상측커버부(210)의 타단으로부터 하부 방향(-z축 방향)으로 연장되는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 측면커버부(230) 는, 상측커버부(210)의 우측 단부(-x축 방향)에서 하부 방향(-z축 방향)으로 길게 연장된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 제2 측면커버부(230)도 제1 측면커버부(220)와 마찬가지로 평면 형태로 구성될 수 있다. 이때, 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)는 수평 방향으로 이격된 상태에서 서로 평행하게 배치되어 있다고 할 수 있다.
그리고 제2 측면커버부(230)는, 내부에 수용된 배터리 셀(100)의 타측 수납부의 외측을 감싸도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(200)에 하나의 배터리 셀(100)이 수용된 경우, 제2 측면커버부(230)는, 수용된 배터리 셀(100)의 수납부의 우측 표면(-x축 방향)을 우측(-x축 방향)에서 감싸도록 구성될 수 있다. 여기서, 제2 측면커버부(230)는, 수납부의 외측 표면에 직접 접촉될 수 있다.
상기 실시예에서, 상측커버부(210), 제1 측면커버부(220) 및 제2 측면커버부(230)에 의해 내부 공간이 한정될 수 있다. 그리고, 셀 커버(200)는, 이와 같이 한정된 내부 공간에 하나 또는 그 이상의 배터리 셀을 수용할 수 있다.
또한 상기 실시예에서, 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)의 하측 단부는, 팩 케이스(600)의 바닥면에 접촉할 수 있다. 특히, 이와 같은 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)의 하측 단부와 팩 케이스(600) 사이의 접촉 구성은, 전후 방향(도면의 y축 방향)으로 길게 연장된 형태로 형성될 수 있다. 이와 같은 실시예에 의하면, 내부에 수용된 배터리 셀(100)을 세워진 상태로 유지시킬 수 있는 셀 커버(200)의 자립 구성이 보다 안정적으로 구현될 수 있다.
더욱이, 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)는, 서로 동일한 높이를 가질 수 있다. 즉, 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)는, 상측커버부(210)로부터 하부 방향으로 연장된 길이가 동일할 수 있다. 이 경우, 셀 커버(200)의 자립 구성이 보다 용이하게 달성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 커버(200)와 배터리 셀(100)을 다시 설명하자면, 상측커버부(210)는 배터리 셀(100)의 상부측 에지부를 마주할 수 있고, 제1 측면커버부(220) 및 제2 측면커버부(230)와 함께 상부측 에지부를 감쌀 수 있다.
또한, 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)의 단면적은 제1 측면커버부(220)와 제2 측면커버부(230)가 마주하는 배터리 셀(100)의 단면적보다 크게 구비되어 수납부가 외부로 노출되는 것을 방지하여 안전성을 최대한 확보할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 셀 커버(200)가 n자 형태로 형성된 구성을 중심으로 도시 내지 설명되어 있으나, 셀 커버(200)는, 다른 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 커버(200)는, I자, U자, L자 등 다른 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 버스바 어셈블리(300)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 버스바 어셈블리(300)는, 다수의 배터리 셀(100)을 서로 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 버스바 어셈블리(300)는, 복수의 배터리 셀(100)의 전극 리드(110)에 결합되어, 복수의 배터리 셀(100) 사이를 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되도록 할 수 있다. 버스바 어셈블리(300)는, 구리나 알루미늄과 같은 전기 전도성 재질로 구성되어 전극 리드(110)에 직접 접촉되는 버스바 단자 및 플라스틱과 같은 전기 절연성 재질로 구성되며 버스바 단자를 지지하는 버스바 하우징을 구비할 수 있다.
더욱이, 배터리 셀(100)에서 전극 리드(110)가 양측에 구비된 경우, 버스바 어셈블리(300)도 전극 리드(110)가 구비된 양 측에 모두 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 전극 리드(110)가 전방측(y축 방향)과 후방측(-y축 방향)으로 모두 돌출된 경우, 버스바 어셈블리(300) 또한 전방측(y축 방향)과 후방측(-y축 방향)에 모두 위치할 수 있다.
버스바 어셈블리(300)는, 하나 또는 다수의 셀 커버(200)와 결합될 수 있다. 이때, 버스바 어셈블리(300)는 1개의 셀 커버(200)의 단부에 결합될 수 있다. 이때, 1개의 셀 커버(200)에는, 1개 또는 다수의 배터리 셀(100)이 수용될 수 있다.
버스바 어셈블리(300)는, 셀 커버(200)와 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 버스바 어셈블리(300)는, 접착, 용접, 끼움 결합, 후크 결합, 볼팅 결합, 리벳 결합 등 다양한 체결 방식을 통해 셀 커버(200)와 결합 고정될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(1000)은, 절연 커버부(350)를 더 포함할 수 있다. 이때, 절연 커버부(350)는 전기 절연성 재질로 구성되며, 버스바 어셈블리(300)가 엔드 플레이트에 의해 외부로 노출되는 것을 방지하고, 전기 절연성을 확보 및 유지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 엔드 플레이트(400)를 더 포함할 수 있다. 이때, 엔드 플레이트는 버스바 어셈블리(300)와 절연 커버부(350)를 고정하여 셀 유닛(10)의 구조적 안정성을 확보할 수 있다. 이때, 엔드 플레이트(400)에는 절연 커버부(350)가 노출되는 홀이 형성될 수 있으며, 상기 홀을 통해 경우에 따라서 디렉셔널 벤팅(directional venting)이 유도되는 것일 수 있다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 부분 사시도이다. 보다 구체적으로, 도 2는 배터리 팩의 하부 팩 케이스(620)에 히트 싱크(550)가 구비된 구성을 도시하는 도면이고, 도 3은 도 2의 히트 싱크(550)에 열 전도성 실링 테이프(500)가 도포된 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 팩 케이스(600)는, 히트 싱크(550)를 구비할 수 있다. 그리고, 셀 커버(200)가 결합된 복수의 배터리 셀(100)들은, 이러한 히트 싱크(550)에 열적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 팩 케이스(600) 중 하부 팩 케이스(620)에는 히트 싱크(550)가 구비될 수 있다. 그리고, 다수의 셀 유닛(10)들은, 히트 싱크(550)의 상면에 직접 안착될 수 있다. 특히, 각각의 셀 유닛(10)에 구비된 셀 커버(200)와 배터리 셀(100)은, 상하 방향으로 세워진 형태로 하단부가 히트 싱크(550)의 상부에 직접 접촉하여 안착될 수 있다.
이와 같은 실시 구성에서, 팩 케이스(600)와 복수의 배터리 셀(100)들 사이에, 또는 히트 싱크(550)와 복수의 배터리 셀(100)들과의 사이에 열 전도성 실링 테이프(500)가 개재될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 히트 싱크(550)의 상부 표면에는 열 전도성 실링 테이프(500)가 도포될 수 있다. 그리고, 이와 같이 열 전도성 실링 테이프(500)가 도포된 히트 싱크(550)의 상부 표면에, 다수의 셀 유닛(10), 즉 복수의 배터리 셀(100)과 복수의 셀 커버(200)가 안착될 수 있다.
여기서, 열 전도성 실링 테이프(500)는 열을 전도하며 접착성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 열 전도성 실링 테이프(500)는 배터리 셀(100)에서 발생된 열이 히트 싱크(550)를 통해 방열되도록 히트 싱크(550)로 열을 전달할 수 있다. 뿐만 아니라, 열 전도성 실링 테이프(500)는, 접착성을 가지므로, 셀 커버(200) 및/또는 배터리 셀(100)을 히트 싱크(550)에 기계적으로 결합시킬 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 셀 커버(200)가 결합된 복수의 배터리 셀(100)들은, 열 전도성 실링 테이프(500)가 도포된 히트 싱크(550)의 상면에 직접 안착될 수 있다. 이 경우, 다수의 셀 유닛(10)은, 열 전도성 실링 테이프(500)에 의해 히트 싱크(550)의 상면에 안정적으로 결합 고정될 수 있다. 특히, 각각의 셀 유닛(10)에 포함된 배터리 셀(100)과 셀 커버(200)는, 상하 방향(z축 방향 및 -z축 방향) 길이가 좌우 방향(x축 방향 및 -x축 방향) 폭에 비해 길게 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(100)과 셀 커버(200)는, 히트 싱크(550)의 상면에 세워진 상태, 즉 기립 상태로 안착되어 있다고 할 수 있다. 이때, 열 전도성 실링 테이프(500)는, 배터리 셀(100)과 셀 커버(200)의 기립 상태가 보다 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
더불어, 열 전도성 실링 테이프(500)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 유닛(10)의 구성요소로서 형성될 수도 있다.
즉, 열 전도성 실링 테이프(500)는 셀 유닛(10)의 다수의 구성 요소 결합 시 함께 결합되어 셀 유닛(10)을 형성할 수 있다. 따라서, 셀 유닛(10)에 형성되는 복수개의 열 전도성 실링 테이프(500)가 결합되어 최종적으로 도 3에 도시된 열 전도성 실링 테이프(500)를 형성하는 것일 수 있다. 또한, 셀 유닛(10)에 형성된 열 전도성 실링 테이프(500)에 의해 셀 커버(200) 및/또는 배터리 셀(100)을 히트 싱크(550)에 견고하게 결합시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 배터리 팩(1000)에 포함되는 열 전도성 실링 테이프(500)에 대해서 보다 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 배터리 팩에 포함되는 열 전도성 실링 테이프의 단면도이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 열 전도성 실링 테이프(500)는, 배터리 셀(100)과 하부 팩 케이스(620)와 접하면서 위치할 수 있다. 열 전도성 실링 테이프(500)는, 배터리 셀(100)의 하부측 에지부(-z축 방향) 및 하부 팩 케이스(620)와 접하면서 위치할 수 있다.
열 전도성 실링 테이프(500)는 열 전도성 물질을 포함하며, 배터리 셀(100)의 하부측 에지부(-z축 방향)와 접하는 제1 전도층(510), 및 접착제(521)를 함유하고 있으며, 제1 전도층(510)을 하부 팩 케이스(620)의 내면, 및/또는 히트 싱크(550)의 상면에 접착시키는 제2 전도층(520)을 포함할 수 있다.
제1 전도층(510)은, 열 전도성 물질로서, 금속 소재, 상세하게는 알루미늄을 포함하는 제1 박막(511)과, 고분자 소재, 상세하게는 폴리이미드를 포함하는 제2 박막(512a, 512b)들이 제1 박막(511)의 양면에 코팅된 구조로 이루어져 있다.
따라서, 제2 박막(512a, 512b) 중 최외측의 하나(512a)는 배터리 셀(100)의 하부측 에지부에 밀착될 수 있고, 나머지 하나(512b)는 하부 팩 케이스(620)의 내면 및/또는 히트 싱크(550)의 상면과 접할 수 있다.
정리하면, 제1 전도층(510)은, 금속 소재로 구성된 제1 박막(511)과, 고분자 소재의 제2 박막(512a, 512b)들로 구성된 다층 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 다층 구조에서 각 층의 기능은 다음과 같을 수 있다.
먼저 제1 박막(511)의 경우, 열 전도의 중추적 역할을 기대할 수 있다. 특히, 제1 박막(511)은 열 전도성 물질로서, 금속 소재, 상세하게는 알루미늄을 포함할 수 있도록 형성됨으로써, 열 전도성 실링 테이프(500)의 열 전도성을 확보할 수 있다. 또한, 제1 박막(511)은 배터리 셀(100)로부터 전달된 열을 히트 싱크(550)로 전달하기 위한 중추적 역할을 담당할 수 있다.
배터리 셀(100)의 하부측 에지부에 밀착된 제2 박막(512a)의 경우, 전기절연성을 담보할 수 있으며, 배터리 셀(100)의 하부측 에지부를 커버할 수 있다. 특히, 셀 유닛(10)에 포함되는 배터리 셀(100)의 하부측 에지부는 별도 구성에 의해 커버되지 않고 노출되도록 형성될 수 있는 바, 배터리 팩(1000)에 도입됨에 있어 열 전도성 실링 테이프(500)의 제2 박막(512a) 등에 의해 일차적으로 보호됨으로써 셀 유닛(10)의 손상 가능성을 더욱 감소시킬 수 있다.
한편, 셀 유닛(10)의 전기 절연성을 보다 향상시키고, 제1 전도층(510)의 제1 박막(511)의 일부 부분이 제2 전도층(520)에 의해 커버되지 않아 전기 절연성이 약화되는 것을 방지하기 위하여, 제2 전도층(520)과 접하는 제2 박막(512b)이 형성될 수 있다. 즉, 제2 전도층(520)은 제1 전도층(510)과 접하면서 위치할 수 있다.
한편, 제2 전도층(520)은, 접착제(521)를 함유할 수 있으며, 특히, 접착제(521) 내에 분산되어 있는 열 전도성 피그먼트 입자들(522)을 포함할 수 있다.
열 전도성 피그먼트 입자들(522)은, 열 전도성이 우수한 알루미늄일 수 있으며, 제2 전도층(520)과 제1 전도층(510)의 계면과 인접한 부위에서 분산되어 있을 수 있다. 이때, 제2 전도층(520)과 제1 전도층(510)의 계면에 열 전도성 피그먼트 입자들(522)이 분산됨으로써, 제2 전도층(520)의 균일한 열 전도성을 확보할 수 있다.
한편, 열 전도성 피그먼트 입자들(520)이 제2 전도층(520)과 제1 전도층(510)의 계면과 인접한 위치에 형성되지 않거나, 제2 전도층(520)과 제1 전도층(510)의 계면과 인접한 위치에 형성되더라도, 분산되어 있지 않을 경우, 제2 전도층(520)의 열 전도성이 확보되지 않거나, 국부적인 위치에만 열 전도성이 존재하여 제1 전도층(510)으로부터 전달된 열을 효과적으로 팩 케이스(600) 및/또는 히트 싱크(550)로 전달하기에 어려움이 있다.
따라서, 히트 싱크(550)의 상면에 접한 제2 전도층(520)에 열이 전도될 때, 제2 전도층(520)과 제1 전도층(510)의 계면과 인접한 부위에서 열 전도성 피그먼트 입자(522)가 분산됨으로써, 열 전도성 피그먼트 입자들(522)을 통해 제1 전도층(510)으로부터 제2 전도층(520)으로의 열 전도가 촉진될 수 있다.
본 실시예에 따른 제2 전도층(520)은, 배터리 셀(100)의 하부측 에지부에 밀착된 제1 전도층(510)을 팩 케이스(600) 또는 히트 싱크(550)의 상면에 접착시켜 셀 유닛(10)을 팩 케이스(600) 내부에 고정시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 전도층(520)은 접착제(521) 뿐만 아니라 열 전도성 피그먼트 입자(522)를 포함하여 제1 전도층(510)과 같이 열 전도성을 가짐으로써, 제1 전도층(510)에 전달된 열이 원활하게 제2 전도층(520) 및 히트 싱크(550)로 전달되도록 할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 배터리 팩(1000)에 포함되는 열 전도성 실링 테이프(500)는 열 전도성뿐만 아니라 접착성을 가짐으로써, 배터리 셀(100)로부터 발생하는 열을 히트 싱크(550) 및 팩 케이스(600)로 전달할 뿐만 아니라, 배터리 셀(100), 셀 커버(200), 및 이들을 포함하는 셀 유닛(10)을 팩 케이스(600) 상에 안정적으로 고정시켜 배터리 팩(1000)의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 이상에서 구체적으로 언급되지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리의 온도나 전압 등을 관리해 주는 배터리 관리시스템(Battery Management System; BMS) 및/또는 냉각 장치 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩이 적용되는 디바이스는, 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 운송 수단일 수 있다. 그러나, 상술한 디바이스가 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 예시 외에 다양한 디바이스에 본 실시예에 따른 배터리 팩이 사용될 수 있고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
10: 셀 유닛
100: 배터리 셀
110: 전극 리드
200: 셀 커버
210: 상측커버부
220: 제1 측면 커버부
30: 제2 측면 커버부
300: 버스바 어셈블리
350: 절연 커버부
400: 엔드 플레이트
500: 열 전도성 실링 테이프
510: 제1 전도층
520: 제2 전도층
550: 히트 싱크
600: 팩 케이스
610: 상부 팩 케이스
620: 하부 팩 케이스
1000: 배터리 팩

Claims (14)

  1. 일 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀들;
    내부 공간에 상기 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스;
    상기 팩 케이스의 내부 공간에서, 상기 복수의 배터리 셀들 중 적어도 일부 배터리 셀을 적어도 부분적으로 감싸는 셀 커버; 및
    상기 배터리 셀과 상기 팩 케이스의 사이에 형성되는 열 전도성 실링 테이프를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도성 실링 테이프는, 상기 배터리 셀과 접하는 제1 전도층, 및
    상기 제1 전도층을 상기 팩 케이스에 접착시키는 제2 전도층을 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전도층은, 제1 박막과, 상기 제1 박막의 양면에 코팅된 제2 박막을 포함하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 박막은 금속을 포함하고,
    상기 제2 박막은 고분자를 포함하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 박막은 알루미늄을 포함하고,
    상기 제2 박막은 폴리이미드를 포함하는 배터리 팩.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 박막 중 최외측의 하나는, 상기 배터리 셀과 접하면서 위치하고,
    상기 제2 박막 중 최외측의 나머지 하나는, 상기 팩 케이스와 접하면서 위치하는 배터리 팩.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전도층의 상기 제1 박막 및 상기 제2 박막은, 다층 구조인 배터리 팩.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전도층은,
    접착제, 및 상기 접착제 내에 위치하는 복수의 열 전도성 피그먼트 입자를 포함하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전도층은, 상기 제1 전도층과 접하면서 위치하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 접착제는, 상기 제1 전도층과 접하면서 위치하고,
    상기 복수의 열 전도성 피그먼트 입자는, 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층의 계면과 인접한 부위에 위치하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 열 전도성 피그먼트 입자는, 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층의 계면에 분산되어 위치하는 배터리 팩.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 열 전도성 피그먼트 입자는 알루미늄인 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도성 실링 테이프는, 상기 배터리 셀의 하부측 에지부, 및 상기 하부 팩 케이스와 접하면서 위치하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 따른 배터리 팩을 포함하는 디바이스.
PCT/KR2023/010384 2022-07-20 2023-07-19 배터리 팩 및 이를 포함하는 디바이스 WO2024019514A1 (ko)

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