WO2024123004A1 - 배터리 팩 - Google Patents

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WO2024123004A1
WO2024123004A1 PCT/KR2023/019763 KR2023019763W WO2024123004A1 WO 2024123004 A1 WO2024123004 A1 WO 2024123004A1 KR 2023019763 W KR2023019763 W KR 2023019763W WO 2024123004 A1 WO2024123004 A1 WO 2024123004A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cross beam
battery
battery assembly
ribs
battery pack
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/019763
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
신주환
이형석
허남훈
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020230029863A external-priority patent/KR20240083785A/ko
Application filed by 주식회사 엘지에너지솔루션 filed Critical 주식회사 엘지에너지솔루션
Publication of WO2024123004A1 publication Critical patent/WO2024123004A1/ko

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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack.
  • This application claims the benefit of Korean Application No. 10-2022-0168184, filed on December 5, 2022, and Korean Application No. 10-2023-0029863, filed on March 7, 2023, which are incorporated herein by reference. It is referenced in its entirety.
  • Secondary batteries can be charged and discharged multiple times.
  • Secondary batteries are widely used as an energy source for various wireless devices such as handsets, laptops, and cordless vacuum cleaners.
  • the manufacturing cost per unit capacity of secondary batteries has dramatically decreased due to improvements in energy density and economies of scale, and as the range of battery electric vehicles (BEVs) has increased to the same level as fuel vehicles, the main uses of secondary batteries are is moving from mobile devices to mobility.
  • BEVs battery electric vehicles
  • the trend in technology development of secondary batteries for mobility is improvement in energy density and safety.
  • the energy density of the secondary battery is the maximum electrical energy that the secondary battery can store divided by the mass of the secondary battery.
  • the high energy density of secondary batteries is directly related to the driving efficiency and range of mobility, and various studies are being conducted to improve the energy density of secondary batteries.
  • the problem to be solved by the technical idea of the present invention is to provide a battery pack with improved energy density.
  • a battery pack includes a housing including a plate portion; and first and second battery assemblies disposed on the upper surface of the plate portion of the housing and including a plurality of battery cells, wherein each of the first and second battery assemblies includes a cell stack and the cell stack. comprising first and second cross beams spaced apart from each other, wherein the first cross beam of the second battery assembly has a different and complementary shape to the second cross beam of the first battery assembly, The first cross beam of the second battery assembly faces the second cross beam of the first battery assembly, and the first cross beam of the second battery assembly is spaced apart from the second cross beam of the first battery assembly. do.
  • the first cross beam of each of the first and second battery assemblies includes: a first plate covering a first side of the cell stack; a second plate spaced apart from the cell stack with the first plate interposed therebetween; and first and second ribs connected to each of the first and second plates and interposed between the first and second plates.
  • the second cross beam of each of the first and second battery assemblies includes a third plate covering a second side of the cell stack, the second side being opposite the first side; a fourth plate spaced apart from the cell stack with the third plate interposed therebetween; and third and fourth ribs connected to each of the third and fourth plates and interposed between the third and fourth plates.
  • a thickness of each of the first to fourth plates and the first to fourth ribs is 10 mm or less.
  • Each of the first to fourth ribs includes a plurality of long holes.
  • the plurality of long holes of each of the first to fourth ribs overlap each other.
  • the first battery assembly and the second battery assembly are spaced apart from each other in a first direction.
  • the length of the elongated holes in the first direction is greater than the length of the elongated holes in the second direction perpendicular to the first direction.
  • It further includes a plurality of fixtures for fixing the first cross beam of the second battery assembly and the second cross beam of the first battery assembly.
  • the plurality of fixtures penetrate the insulation.
  • the insulation contacts the second and third plates, and the insulation is spaced apart from any one of the second and third ribs.
  • Battery packs according to exemplary embodiments of the present invention include battery assemblies including crossbeams comprised of plates and ribs of about 10 mm or less. Accordingly, the energy density of the battery pack is improved.
  • FIG. 1 is a perspective view for explaining a battery pack according to example embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line 1I-1I' in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the first cross beam of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a plan view showing the first cross beam of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the second cross beam of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a plan view showing the second cross beam of FIG. 2.
  • Figure 7 shows a portion corresponding to Figure 2.
  • Figure 8 shows a portion corresponding to Figure 2.
  • Figure 9 shows a portion corresponding to Figure 2.
  • FIG. 1 is a perspective view for explaining a battery pack according to example embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line 1I-1I' in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the first cross beam of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a plan view showing the first cross beam of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the second cross beam of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a plan view showing the second cross beam of FIG. 2.
  • the battery pack 100 may include a housing 110, a plurality of battery assemblies 120, a center beam 130, and a plurality of exhaust devices 140.
  • the battery pack 100 is the final form of a battery system installed in mobility, etc.
  • the housing 110 may provide a space for the plurality of battery assemblies 120 to be disposed.
  • Housing 110 may include a plate portion 111 and side walls 112.
  • the plate portion 111 may include an upper surface 111U and a lower surface 111L that are substantially parallel to each other. Two directions substantially parallel to the upper surface 111U of the plate portion 111 are defined as the X direction and Y direction, and a direction substantially perpendicular to the upper surface 111U of the plate portion 111 is defined as the Z direction. Each of the X, Y, and Z directions may be substantially perpendicular to each other. Unless otherwise stated, the definition of direction is the same for the following drawings.
  • the plate portion 111 may include a plurality of plates welded to each other by friction stir welding.
  • the plate portion 111 may include interfaces of different plates.
  • the plate portion 111 may be composed of a single plate.
  • the plate portion 111 may include a plurality of cooling channels that are flow paths for cooling fluid.
  • the plate portion 111 may include a plurality of cavities to reduce the weight of the plate portion 111.
  • Each of the plurality of cooling channels and the plurality of cavities may extend in the X direction.
  • the side walls 112 may be coupled to the plate portion 111.
  • the side walls 112 may extend in the Z direction.
  • the side walls 112 may include an internal empty space, and thus the side walls 112 may be lightweight.
  • a plurality of battery assemblies 120 may be disposed on the upper surface 111U of the plate portion 111 of the housing 110.
  • the plate portion 111 may support a plurality of battery assemblies 120.
  • the first to fourth side walls 112, 113, 114, and 115 may horizontally surround the plurality of battery assemblies 120.
  • each of the plurality of battery assemblies 120 does not include a module frame.
  • this is a non-limiting example and does not limit the technical idea of the present invention in any way.
  • a person skilled in the art will be able to easily arrive at a plurality of battery assemblies including a module frame and a module-type battery pack including the same based on what is described herein.
  • Each of the plurality of battery assemblies 120 may include a cell stack 121, a plurality of separators, a first cross beam 125a, and a second cross beam 125b.
  • the cell stack 121 may include a plurality of battery cells.
  • Each of the plurality of battery assemblies 120 may further include a bus bar plate.
  • a battery cell is the basic unit of a lithium-ion battery, or secondary battery.
  • a battery cell includes an electrode assembly, electrolyte, and case.
  • Battery cells are classified into lithium-ion batteries, lithium-ion polymer batteries, and lithium polymer batteries depending on the composition of the electrode assembly and electrolyte. Lithium-ion polymer batteries are increasing their market share in secondary batteries because they are less likely to leak electrolyte and are easier to manufacture.
  • the battery cell may be any one of a cylindrical battery cell, a prismatic battery cell, and a pouch-type battery cell.
  • the electrode assembly of a cylindrical battery cell is embedded in a cylindrical metal can.
  • the electrode assembly of the prismatic battery cell is embedded in a prismatic metal can.
  • the electrode assembly of the pouch-type battery cell is embedded in a pouch case containing aluminum laminate sheets.
  • the electrode assembly built into the battery case includes an anode, a cathode, and a separator interposed between the anode and the cathode. Electrode assemblies are classified into jelly-roll type and stack type according to assembly type.
  • the jelly roll type is made by winding an anode, a cathode, and a separator sandwiched between them.
  • the stack type includes a plurality of sequentially stacked anodes, a plurality of cathodes, and a plurality of separators interposed between them.
  • a plurality of battery cells of the cell stack 121 may be connected in series and/or parallel.
  • a plurality of battery cells may be connected to each other in series.
  • a plurality of battery cells may be connected to each other in parallel.
  • the cell stack 121 may include a plurality of banks connected in series in parallel with each other, and each of the banks may include a plurality of battery cells connected in parallel with each other.
  • the cell stack 121 may further include a plurality of separators.
  • the plurality of separators can prevent swelling of the plurality of battery cells by horizontally supporting the plurality of battery cells.
  • the plurality of separators may be thermal barriers.
  • each of the plurality of separators may have a high melt temperature and low thermal conductivity.
  • each of the plurality of separators may include a flame retardant material, such as ceramic and coated glass material.
  • the plurality of separators may be configured to release fire retarding material and fire extinguishing agent when a thermal runaway event occurs.
  • the first cross beam 125a and the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 may be spaced apart from each other with the cell stack 121 therebetween.
  • the first cross beam 125a and the second cross beam 125b may cover the cell stack 121.
  • the first cross beam 125a and the second cross beam 125b may be fixed to the cell stack 121 using an adhesive material or the like.
  • the first cross beam 125a of each of the plurality of battery assemblies 120 may include plates P1a and P2a and ribs R1a, R2a, R3a, and R4a.
  • the plates P1a and P2a may be substantially perpendicular to the X direction.
  • the plates P1a and P2a may be spaced apart from each other in the X direction.
  • the plate P1a may be in contact with the cell stack 121.
  • the plate P1a may cover the first side 121S1 of the cell stack 121.
  • the plate P2a may be spaced apart from the cell stack 121 with the plate P1a interposed therebetween.
  • the length of the plate P1a in the Z direction may be greater than the length of the plate P2a in the Z direction.
  • the ribs R1a, R2a, R3a, and R4a may be substantially perpendicular to the Z direction.
  • the ribs R1a, R2a, R3a, and R4a may be spaced apart from each other in the Z direction.
  • the ribs (R1a, R2a, R3a, R4a) may be interposed between the plates (P1a, P2a).
  • the ribs (R1a, R2a, R3a, R4a) may be connected to the plates (P1a, P2a).
  • the ribs R3a and R4a may be interposed between the ribs R1a and R2a.
  • Each of the ribs may include a plurality of slotted holes (SLa).
  • the length of each of the plurality of long holes SLa in the X direction may be greater than the length of each of the plurality of long holes SLa in the Y direction.
  • a plurality of long holes SLa of each of the ribs R1a, R2a, R3a, and R4a may overlap each other in the Z direction.
  • the first cross beam 125a can be lightweight, and the energy density of the battery pack 100 can be improved.
  • Plate P1a may be referred to as a first plate
  • plate P2a may be referred to as a second plate
  • rib R1a may be referred to as a first rib
  • rib R2a may be referred to as a second rib. It may also be referred to as.
  • the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 may include plates P1b and P2b and ribs R1b, R2b, and R3b.
  • the plates P1b and P2b may be substantially perpendicular to the X direction.
  • the plates P1b and P2b may be spaced apart from each other in the X direction.
  • the plate P1b may be in contact with the cell stack 121.
  • the plate P1b may cover the second side 121S2 of the cell stack 121.
  • the second side 121S2 may be opposite to the first side 121S1.
  • the plate P2b may be spaced apart from the cell stack 121 with the plate P1b therebetween.
  • the length of the plate P1b in the Z direction may be greater than the length of the plate P2b in the Z direction.
  • the ribs R1b, R2b, and R3b may be substantially perpendicular to the Z direction.
  • the ribs R1b, R2b, and R3b may be spaced apart from each other in the Z direction.
  • the ribs (R1b, R2b, R3b) may be interposed between the plates (P1b, P2b).
  • the ribs (R1b, R2b, R3b) may be connected to the plates (P1b, P2b).
  • the rib R3b may be interposed between the ribs R1b and R2b.
  • Each of the ribs R1b, R2b, and R3b may include a plurality of long holes SLb.
  • the length of each of the plurality of long holes SLb in the X direction may be greater than the length of each of the plurality of long holes SLb in the Y direction.
  • a plurality of long holes (SLb) of each of the ribs (R1b, R2b, R3b) may overlap each other in the Z direction.
  • the plurality of long holes SLb of each of the ribs R1b, R2b, and R3b may overlap the plurality of long holes SLa of each of the ribs R1a, R2a, R3a, and R4a in the Z direction.
  • the first partition 125b can be lightweight, and the energy density of the battery pack 100 can be improved.
  • Plate P1b may be referred to as a third plate
  • plate P2b may be referred to as a fourth plate
  • rib R1b may be referred to as a third rib
  • rib R2b may be referred to as a fourth rib. It may also be referred to as.
  • the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 may be combined with the first cross beam 125a of the subsequent plurality of battery assemblies 120. Accordingly, the lower part of the plate P1a may face the plate P2b, the upper part of the rate P1b may face the plate P2a, and the rib R2a may face the rib R1b. there is.
  • the distance between the rib (R3b) and the plate portion 111 may be greater than the distance between the rib (R2b) and the plate portion 111.
  • the distance between the rib (R1b) and the plate portion 111 may be greater than the distance between the rib (R3b) and the plate portion 111.
  • the distance between the rib (R2a) and the plate portion 111 may be greater than the distance between the rib (R1b) and the plate portion 111.
  • the distance between the rib (R4a) and the plate portion 111 may be greater than the distance between the rib (R2a) and the plate portion 111.
  • the distance between the rib (R3a) and the plate portion 111 may be greater than the distance between the rib (R4a) and the plate portion 111.
  • the distance between the rib (R1a) and the plate portion 111 may be greater than the distance between the rib (R3a) and the plate portion 111.
  • the thickness of each of the plates (P1a, P2a, P1b, P2b) and ribs (R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, and R3b) may be about 10 mm or less. According to exemplary embodiments, since the thickness of each of the plates (P1a, P2a, P1b, P2b) and ribs (R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) is about 10 mm or less, the first and second 2 The cross beams 125a and 125b can be made lighter.
  • the thickness of each of the plates (P1a, P2a, P1b, P2b) and ribs (R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) may be about 0.5 mm or more.
  • the plates (P1a, P2a, P1b, P2b) and the ribs (R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) each have a thickness of about 0.5 mm or more, so that the first and The second cross beams 125a and 125b may have sufficient rigidity.
  • the insulating material 150 may be interposed between the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 and the first cross beam 125a of the subsequent plurality of battery assemblies 120.
  • the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 and the first cross beam 125a of the subsequent plurality of battery assemblies 120 may be spaced apart in the there is. Accordingly, the plurality of battery assemblies 120 may be spaced apart in the X direction with the insulation material 150 therebetween.
  • the insulation material 150 may be in contact with the first cross beam 125a and the second cross beam 125b.
  • the insulation 150 may be in contact with the lower part of the plate P1a, the plate P2a, the rib R2a, the upper part of the plate P1b, the plate P2b, and the rib R2a.
  • the first cross beam 125a, the second cross beam 125b, and the insulation material 150 may form a cross beam assembly (CBA).
  • the cross beam assembly (CBA) may extend in a direction perpendicular to the center beam 130 (i.e., Y direction).
  • the cross beam assembly (CBA) can isolate the cell stacks 121 in the X direction.
  • a cross beam assembly (CBA) may be interposed between neighboring cell stacks 121 .
  • the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 and the first cross beam 125a of the subsequent plurality of battery assemblies 120 are coupled by mechanical fasteners 160 such as bolts. It can be.
  • the fixtures 160 penetrate the plurality of long holes (SLa) of each of the ribs (R1a, R2a, R3a, and R4a) and the plurality of long holes (SLb) of each of the ribs (R1b, R2b, and R3b) to form the plate. It may be coupled to unit 111. Accordingly, the second cross beam 125b of each of the plurality of battery assemblies 120 and the first cross beam 125a of the subsequent plurality of battery assemblies 120 may be fixed to each other.
  • the fixtures 160 may penetrate the insulation material 150. Accordingly, the insulation material 150 may include a plurality of holes. A plurality of holes in the insulation material 150 may overlap with a plurality of long holes SLa and SLb.
  • first cross beam 125a and the second cross beam 125b may have different and complementary shapes.
  • the first cross beam 125a and the second cross beam 125b of each of the partition assemblies 125 may be engaged with each other.
  • the first cross beams 125a of the plurality of battery assemblies 120 disposed at both ends in the X direction may be coupled to the support 116 disposed on the plate portion 111 of the housing 110.
  • the first cross beam 125a and the support 116 may be fixed by fixtures 160.
  • the plurality of battery assemblies 120 may be arranged in the X and Y directions.
  • the number of battery assemblies 120 arranged in the X direction is three
  • the number of battery assemblies 120 arranged in the Y direction is two. Accordingly, the arrangement of the plurality of battery assemblies 120 can be said to be a 3*2 arrangement.
  • a person skilled in the art will be able to easily arrive at a plurality of battery assemblies 120 arranged in M * N based on what is described herein.
  • M and N are each integers of 2 or more.
  • the center beam 130 may isolate elements disposed on the housing 110 from each other. Accordingly, the center beam 130 can protect the plurality of battery assemblies 120 and prevent unwanted short circuits between them.
  • Center beam 130 may extend between opposing side walls 112 . Center beam 130 may extend in the X direction. The center beam 130 may contact any one of the side walls 112. The center beam 130 may isolate the plurality of battery assemblies 120 from each other. The center beam 130 may be interposed between the plurality of battery assemblies 120.
  • a plurality of exhaust devices 140 may be coupled to some of the side walls 112.
  • the side walls 112 may include an exhaust path connected to a plurality of exhaust devices 140 .
  • the plurality of exhaust devices 140 emit high temperature gas inside the battery pack 100 to the outside to propagate heat ( It can be configured to delay thermal propagation.
  • thermal runaway of the plurality of battery assemblies 120 is a state in which the temperature change of the plurality of battery assemblies 120 further accelerates the temperature change, and is an uncontrollable positive feedback.
  • the plurality of battery assemblies 120 in a thermal runaway state exhibit a rapid increase in temperature and emit a large amount of high-pressure gas and combustion debris.
  • the battery pack 100 may further include electrical components. Electrical components may be placed on the housing 110. Electrical components may be disposed between the side wall 112 where the exhaust devices 140 are installed and the plurality of battery assemblies 120. Electrical components may include any electronic elements necessary to drive the battery pack.
  • Electrical components may include, for example, a Battery Management System (BMS).
  • BMS Battery Management System
  • the BMS can be configured to monitor, balance, and control the battery pack.
  • Monitoring of the battery pack 100 may include measuring the voltage and current of specific nodes within the plurality of battery assemblies 120 and measuring the temperature of set locations within the battery pack 100.
  • Battery pack 100 may include instruments for measuring the voltage, current, and temperature described above.
  • Balancing the battery pack 100 is an operation to reduce the deviation between the plurality of battery assemblies 120.
  • Control of the battery pack 100 includes preventing the occurrence of overcharge, overdischarge, and overcurrent. Through monitoring, balancing, and control, the battery pack 100 can operate under optimal conditions, and thus the lifespan of each of the plurality of battery assemblies 120 can be prevented from being shortened.
  • Electrical components may further include a cooling device, Power Relay Assembly (PRA), safety plug, etc.
  • the cooling device may include a cooling fan.
  • the cooling fan may prevent each of the plurality of battery assemblies 120 from overheating by circulating air inside the battery pack 100.
  • the PRA may be configured to supply or block power from the high-voltage battery to an external load (eg, a vehicle motor). PRA can protect the plurality of battery assemblies 120 and external loads (e.g., vehicle motor) by blocking the power supply to external loads (e.g., vehicle motor) in situations where abnormal voltage such as voltage surge occurs. there is.
  • the battery pack 100 may further include a plurality of bus bars configured to electrically connect the plurality of battery assemblies 120.
  • the plurality of battery assemblies 120 may be connected in series by a plurality of bus bars. Accordingly, the battery pack 100 may be configured to output high voltage to an external load (eg, a vehicle motor).
  • an external load eg, a vehicle motor
  • the battery pack 100 may further include a lead plate coupled to the side walls 112 .
  • the lead plate may cover elements disposed inside the battery pack 100, such as battery assemblies 120 and electrical components.
  • the lead plate may be fixed to the battery pack 100 by, for example, a mechanical coupling means such as a bolt.
  • Figure 7 shows a portion corresponding to Figure 2. Accordingly, the cross beam assembly (CBAa) shown in FIG. 7 can replace the cross beam assembly (CBA) of FIG. 2.
  • the cross beam assembly may not include an insulating material. Accordingly, there may be an air gap AG between the first cross beam 125a and the second cross beam 125b, and the cross beam assembly CBAa may be lightweight. Additionally, the air gap AG between the first cross beam 125a and the second cross beam 125b may function as an insulating material.
  • Figure 8 shows a portion corresponding to Figure 2. Accordingly, the cross beam assembly (CBAb) shown in FIG. 8 can replace the cross beam assembly (CBA) of FIG. 2.
  • the insulation material 151 of the cross beam assembly (CBAb) may have a smaller size than the insulation material 150 of FIG. 2. Accordingly, there may be an air gap AG between the first cross beam 125a and the second cross beam 125b, and the cross beam assembly CBAb may be lightweight.
  • the insulation material 151 may be in contact with the ribs R2a and R1b.
  • the insulation 151 may be spaced apart from some of the plates P1a, P2a, P1b, and P2b.
  • the insulation material 151 may be spaced apart from any one of the plates P2a and P1b. Accordingly, there may be an air gap AG between the plates P1a, P2a, P1b, and P2b.
  • Figure 9 shows a portion corresponding to Figure 2. Accordingly, the cross beam assembly (CBAc) shown in FIG. 9 can replace the cross beam assembly (CBA) of FIG. 2.
  • the insulation materials 152 of the cross beam assembly may have a smaller size than the insulation material 150 of FIG. 2. Accordingly, an air gap AG may exist between the first cross beam 125a and the second cross beam 125b, and the cross beam assembly CBAc may be lightweight.
  • the insulation materials 152 may be in contact with the plates P1a, P2a, P1b, and P2b and may be spaced apart from any one of the ribs R2a and R1b. Accordingly, there may be an air gap AG between the ribs R2a and R1b.

Landscapes

  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 배터리 팩이 제공된다. 상기 배터리 팩은, 하우징; 및 상기 하우징의 플레이트 부의 상면 상에 배치되고, 제1 및 제2 배터리 어셈블리들을 포함하되, 상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각은, 셀 스택 및 상기 셀 스택을 사이에 두고 서로 이격된 제1 및 제2 크로스 빔들을 포함하고, 상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔과 다르고, 및 상보적인 형상을 갖고, 상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔으로부터 이격된다.

Description

배터리 팩
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다. 본 출원은 2022년 12월 5일에 출원된, 한국 출원 번호 10-2022-0168184 및 2023년 3월 7일에 출원된, 한국 출원 번호 10-2023-0029863의 이익을 주장하며, 해당 출원들은 여기에 전체로서 참조된다.
이차 전지는 일차 전지와 달리 복수번의 충방전이 가능하다. 이차 전지는 핸드셋, 노트북, 무선 청소기 등의 다양한 무선 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 최근, 에너지 밀도 개선 및 규모의 경제로 인해 이차 전지의 단위 용량당 제조 비용이 획기적으로 감소하고, BEV(battery electric vehicle)의 항속거리가 연료 차량과 동등한 수준으로 증가함에 따라, 이차 전지의 주요 쓰임새는 모바일 기기에서 모빌리티로 이동하고 있다.
모빌리티용 이차 전지의 기술 개발의 트렌드는 에너지 밀도 및 안전성의 개선이다. 여기서, 이차 전지의 에너지 밀도는 이차 전지가 저장 가능한 최대의 전기 에너지를 이차 전지의 질량으로 나눈 값이다. 이차 전지의 높은 에너지 밀도는 모빌리티의 주행 효율 및 항속거리와 직결되는 바, 이차 전지의 에너지 밀도를 개선하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 에너지 밀도가 제고된 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 배터리 팩이 제공된다. 상기 배터리 팩은, 플레이트 부를 포함하는 하우징; 및 상기 하우징의 상기 플레이트 부의 상면 상에 배치되고, 복수의 배터리 셀들을 포함하는 제1 및 제2 배터리 어셈블리들을 포함하되, 상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각은, 셀 스택 및 상기 셀 스택을 사이에 두고 서로 이격된 제1 및 제2 크로스 빔들을 포함하고, 상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔과 다르고, 및 상보적인 형상을 갖고, 상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔과 대면하며, 및 상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔으로부터 이격된다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함한다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 에어 갭이 있다.
상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각의 상기 제1 크로스 빔은, 상기 셀 스택의 제1 측면을 커버하는 제1 플레이트; 상기 제1 플레이트를 사이에 두고 상기 셀 스택과 이격된 제2 플레이트; 및 상기 제1 및 제2 플레이트들 각각에 연결되고 상기 제1 및 제2 플레이트들의 사이에 개재된 제1 및 제2 리브들을 포함한다.
상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각의 상기 제2 크로스 빔은, 상기 셀 스택의 제2 측면을 커버하는 제3 플레이트로서, 상기 제2 측면은 상기 제1 측면의 반대이고; 상기 제3 플레이트를 사이에 두고 상기 셀 스택과 이격된 제4 플레이트; 및 상기 제3 및 제4 플레이트들 각각에 연결되고 상기 제3 및 제4 플레이트들의 사이에 개재된 제3 및 제4 리브들을 포함한다.
상기 제1 내지 제4 플레이트들 및 상기 제1 내지 제4 리브들 각각의 두께는 10mm 이하이다.
상기 제1 내지 제4 리브들 각각은 복수의 장공들을 포함한다.
상기 제1 내지 제4 리브들 각각의 상기 복수의 장공들은 서로 중첩된다.
상기 제1 배터리 어셈블리 및 상기 제2 배터리 어셈블리는 제1 방향으로 서로 이격된다.
상기 장공들의 상기 제1 방향의 길이는 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향의 길이보다 더 크다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함한다.
상기 단열재는 상기 제1 내지 제4 플레이트들 및 제2 및 제3 리브들과 접한다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔을 고정하는 복수의 고정기들을 더 포함한다.
상기 복수의 고정기들은 상기 단열재를 관통한다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함한다.
상기 단열재는 상기 제2 및 제3 플레이트들과 접하고, 및 상기 단열재는 상기 제2 및 제3 리브들 중 어느 하나로부터 이격된다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 에어 갭이 있다.
상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함하되, 상기 단열재는 상기 제2 및 제3 플레이트 중 어느 하나로부터 이격되고, 및 상기 단열재는 상기 제2 및 제3 리브들과 접한다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩은, 약 10mm 이하의 플레이트들 및 리브들로 구성된 크로스빔들을 포함하는 배터리 어셈블리들을 포함한다. 이에 따라, 배터리 팩의 에너지 밀도가 제고된다.
본 발명의 예시적인 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 다른 효과들은 이하의 설명으로부터 본 개시의 예시적인 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 개시의 예시적인 실시예들을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 개시의 예시적인 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩을 설명 하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 1I-1I'를 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 2의 제1 크로스 빔을 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 2의 제1 크로스 빔을 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 2의 제2 크로스 빔을 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 2의 제2 크로스 빔을 도시하는 평면도이다.
도 7은 도 2에 대응되는 부분을 나타낸다.
도 8은 도 2에 대응되는 부분을 나타낸다.
도 9는 도 2에 대응되는 부분을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(제1 실시예)
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 배터리 팩을 설명 하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 절단선 1I-1I'를 따라 취한 단면도이다.
도 3은 도 2의 제1 크로스 빔을 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 2의 제1 크로스 빔을 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 2의 제2 크로스 빔을 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 2의 제2 크로스 빔을 도시하는 평면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 배터리 팩(100)은 하우징(110), 복수의 배터리 어셈블리들(120), 센터 빔(130), 복수의 배기 장치들(140)을 포함할 수 있다. 배터리 팩(100)은 모빌리티 등에 장착되는 배터리 시스템의 최종 형태이다.
하우징(110)은 복수의 배터리 어셈블리들(120)이 배치되기 위한 공간을 제공할 수 있다. 하우징(110)은 플레이트 부(111) 및 측벽들(112)을 포함할 수 있다.
플레이트 부(111)는 서로 실질적으로 평행한 상면(111U) 및 하면(111L)을 포함할 수 있다. 플레이트 부(111)의 상면(111U)에 실질적으로 평행한 두 방향을 X 방향 및 Y 방향으로 정의하고, 플레이트 부(111)의 상면(111U)에 실질적으로 수직한 방향을 Z 방향으로 정의한다. X 방향, Y 방향 및 Z 방향 각각은 서로 실질적으로 수직할 수 있다. 따로 언급되지 않는 한, 방향에 대한 정의는 이하의 도면들에 대해서도 동일하다.
예시적인 실시예들에 따르면, 플레이트 부(111)는 마찰 교반 용접에 의해 서로 용접된 복수의 플레이트들을 포함할 수 있다. 플레이트 부(111)가 마찰 교반 용접에 의해 제공된 경우, 플레이트 부(111)는 서로 다른 플레이트들의 경계면을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 플레이트 부(111)는 단일의 플레이트로 구성될 수도 있다.
플레이트 부(111)는 냉각 유체에 대한 유동 경로인 복수의 냉각 채널들을 포함할 수 있다. 플레이트 부(111)는 플레이트 부(111)의 경량화를 위한 복수의 공동들을 포함할 수 있다. 복수의 냉각 채널들 및 복수의 공동들 각각은 X 방향으로 연장될 수 있다.
측벽들(112)은 플레이트 부(111)에 결합될 수 있다. 측벽들(112)은 Z 방향으로 연장될 수 있다. 측벽들(112)은 내부의 빈 공간을 포함할 수 있고, 이에 따라, 측벽들(112)은 경량화될 수 있다.
복수의 배터리 어셈블리들(120)은 하우징(110)의 플레이트 부(111)의 상면(111U) 상에 배치될 수 있다. 플레이트 부(111)는 복수의 배터리 어셈블리들(120)을 지지할 수 있다. 제1 내지 제4 측벽들(112, 113, 114, 115)은 복수의 배터리 어셈블리들(120)을 수평적으로 둘러쌀 수 있다.
이하에서는, 배터리 팩(100) 모듈리스 타입이고, 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각이 모듈 프레임을 포함하지 않는 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하다. 다만 이는 비제한적 예시로서 어떠한 의미에서도 본 발명의 기술적 사상을 제한하지 않는다. 당업계의 통상의 기술자는 여기에 설명된 바에 기초하여 모듈 프레임을 포함하는 복수의 배터리 어셈블리들 및 이를 포함하는 모듈 타입 배터리 팩에 용이하게 도달할 수 있을 것이다.
복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각은 셀 스택(121), 복수의 분리기들, 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)을 포함할 수 있다. 셀 스택(121)은 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각은 버스 바 플레이트를 더 포함할 수 있다.
배터리 셀은 리튬 이온 배터리, 즉 이차 전지의 기본 단위이다. 배터리 셀은 전극 어셈블리, 전해액 및 케이스를 포함한다. 배터리 셀은 전극 어셈블리와 전해액의 구성에 따라 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 분류된다. 리튬 이온 폴리머 전지는 전해액의 유출 가능성이 적고 제조가 용이하여 이차 전지 내에서의 점유율을 늘려가고 있다.
배터리 셀은 원통형 배터리 셀, 각형 배터리 셀 및 파우치 형 배터리 셀 중 어느 하나일 수 있다. 원통형 배터리 셀의 전극 어셈블리는 원통형 금속 캔에 내장된다. 각형 배터리 셀의 전극 어셈블리는 각형 금속 캔에 내장된다. 파우치 형 배터리 셀의 전극 어셈블리는 알루미늄 라미네이트 시트를 포함하는 파우치 케이스에 내장된다.
전지케이스에 내장되는 전극 어셈블리는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함한다. 전극 어셈블리는 조립 형태에 따라 젤리-롤 타입 및 스택 타입으로 분류된다. 젤리 롤 타입은 양극, 음극 및 그들 사이에 개재된 분리막을 권취한 것이다. 스택 타입은 순차로 적층된 복수의 양극들, 복수의 음극들 및 그들 사이에 개재된 복수의 분리막들을 포함한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 셀 스택(121)의 복수의 배터리 셀들은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 일 예로, 복수의 배터리 셀들은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 다른 예로, 복수의 배터리 셀들은 서로 병렬로 연결될 수도 있다. 다른 예로, 셀 스택(121)은 서로 병렬로 직렬로 연결된 복수의 뱅크들을 포함할 수 있고, 상기 복수의 뱅크들 각각은 서로 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 셀 스택(121)은 복수의 분리기들을 더 포함할 수 있다. 복수의 분리기들은 복수의 배터리 셀들을 수평적으로 지지함으로써, 복수의 배터리 셀들의 스웰링을 방지할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 복수의 분리기들은 열적 장벽(Thermal Barrier)일 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 복수의 분리기들 각각은 높은 용융 온도 및 낮은 열 전도율을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 복수의 분리기들 각각은 세라믹 및 코팅된 유리 물질과 같이 난연성 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 복수의 분리기들은 열 폭주 이벤트가 발생하는 경우, 화재 억제 물질(fire retarding material) 및 소화 약제(fire extinguishing agent)를 방출하도록 구성될 수도 있다.
복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)은 셀 스택(121)을 사이에 두고 서로 이격될 수 있다. 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)은 셀 스택(121)을 커버할 수 있다. 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)은 접착 물질 등에 의해 셀 스택(121)에 고정될 수 있다.
복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제1 크로스 빔(125a)은 플레이트들(P1a, P2a) 및 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a)을 포함할 수 있다. 플레이트들(P1a, P2a)은 X 방향에 실질적으로 수직할 수 있다. 플레이트들(P1a, P2a)은 X 방향으로 서로 이격될 수 있다. 플레이트(P1a)는 셀 스택(121)에 접할 수 있다. 플레이트(P1a)는 셀 스택(121)의 제1 측면(121S1)을 커버할 수 있다. 플레이트(P2a)는 플레이트(P1a)를 사이에 두고 셀 스택(121)과 이격될 수 있다. 플레이트(P1a)의 Z 방향의 길이는 플레이트(P2a)의 Z 방향의 길이보다 더 클 수 있다.
리브들(R1a, R2a, R3a, R4a)은 Z 방향에 실질적으로 수직할 수 있다. 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a)은 Z 방향으로 서로 이격될 수 있다. 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a)은 플레이트들(P1a, P2a)의 사이에 개재될 수 있다. 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a)은 플레이트들(P1a, P2a)에 연결될 수 있다. 리브들(R3a, R4a)은 리브들(R1a, R2a)의 사이에 개재될 수 있다.
리브들(R1a, R2a, R3a, R4a) 각각은 복수의 장공들(Slotted hole)(SLa)을 포함할 수 있다. 복수의 장공들(SLa) 각각의 X 방향의 길이는 복수의 장공들(SLa) 각각의 Y 방향의 길이보다 더 클 수 있다. 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a) 각각의 복수의 장공들(SLa)은 서로 Z 방향으로 중첩될 수 있다.
플레이트들(P1a, P2a) 및 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a) 사이에 빈 공간이 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 크로스 빔(125a)이 경량화될 수 있고, 배터리 팩(100)의 에너지 밀도가 제고될 수 있다. 플레이트(P1a)는 제1 플레이트라고 지칭될 수도 있고, 플레이트(P2a)는 제2 플레이트라고 지칭될 수도 있으며, 리브(R1a)는 제1 리브라고 지칭될 수도 있고, 리브(R2a)는 제2 리브라고 지칭될 수도 있다.
복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제2 크로스 빔(125b)은 플레이트들(P1b, P2b) 및 리브들(R1b, R2b, R3b)를 포함할 수 있다. 플레이트들(P1b, P2b)은 X 방향에 실질적으로 수직할 수 있다. 플레이트들(P1b, P2b)은 X 방향으로 서로 이격될 수 있다. 플레이트(P1b)는 셀 스택(121)에 접할 수 있다. 플레이트(P1b)는 셀 스택(121)의 제2 측면(121S2)을 커버할 수 있다. 제2 측면(121S2)은 제1 측면(121S1)의 반대일 수 있다. 플레이트(P2b)는 플레이트(P1b)를 사이에 두고 셀 스택(121)과 이격될 수 있다. 플레이트(P1b)의 Z 방향의 길이는 플레이트(P2b)의 Z 방향의 길이보다 더 클 수 있다.
리브들(R1b, R2b, R3b)은 Z 방향에 실질적으로 수직할 수 있다. 리브들(R1b, R2b, R3b)은 Z 방향으로 서로 이격될 수 있다. 리브들(R1b, R2b, R3b)은 플레이트들(P1b, P2b)의 사이에 개재될 수 있다. 리브들(R1b, R2b, R3b)은 플레이트들(P1b, P2b)에 연결될 수 있다. 리브(R3b)는 리브들(R1b, R2b)의 사이에 개재될 수 있다.
리브들(R1b, R2b, R3b) 각각은 복수의 장공들(SLb)을 포함할 수 있다. 복수의 장공들(SLb) 각각의 X 방향의 길이는 복수의 장공들(SLb) 각각의 Y 방향의 길이보다 더 클 수 있다. 리브들(R1b, R2b, R3b) 각각의 복수의 장공들(SLb)은 서로 Z 방향으로 중첩될 수 있다. 리브들(R1b, R2b, R3b) 각각의 복수의 장공들(SLb)은 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a) 각각의 복수의 장공들(SLa)과 Z 방향으로 중첩될 수 있다.
플레이트들(P1b, P2b) 및 리브들(R1b, R2b, R3b) 사이에 빈 공간이 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 격벽(125b)이 경량화될 수 있고, 배터리 팩(100)의 에너지 밀도가 제고될 수 있다. 플레이트(P1b)는 제3 플레이트라고 지칭될 수도 있고, 플레이트(P2b)는 제4 플레이트라고 지칭될 수도 있으며, 리브(R1b)는 제3 리브라고 지칭될 수도 있고, 리브(R2b)는 제4 리브라고 지칭될 수도 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제2 크로스 빔(125b)은 후속하는 복수의 배터리 어셈블리(120)의 제1 크로스 빔(125a)과 결합될 수 있다. 이에 따라, 플레이트(P1a)의 하부는 플레이트(P2b)와 대면할 수 있고, 레이트(P1b)의 상부는 플레이트(P2a)와 대면할 수 있으며, 리브(R2a)는 리브(R1b)와 대면할 수 있다.
리브(R3b)와 플레이트 부(111) 사이의 거리는 리브(R2b)와 플레이트 부(111) 사이의 거리보다 더 클 수 있다. 리브(R1b)와 플레이트 부(111) 사이의 거리는 리브(R3b)와 플레이트 부(111) 사이의 거리보다 더 클 수 있다. 리브(R2a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리는 리브(R1b)와 플레이트 부(111) 사이의 거리보다 더 클 수 있다. 리브(R4a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리는 리브(R2a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리보다 더 클 수 있다. 리브(R3a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리는 리브(R4a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리보다 더 클 수 있다. 리브(R1a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리는 리브(R3a)와 플레이트 부(111) 사이의 거리보다 더 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b) 및 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) 각각의 두께는 약 10mm이하일 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b) 및 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) 각각의 두께가 약 10mm이하이므로, 제1 및 제2 크로스 빔들(125a, 125b)이 경량화될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b) 및 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) 각각의 두께는 약 0.5 mm 이상일 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b) 및 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a, R1b, R2b, R3b) 각각의 두께가 약 0.5 mm 이상이므로, 제1 및 제2 크로스 빔들(125a, 125b)은 충분한 강성을 가질 수 있다.
단열재(150)는 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제2 크로스 빔(125b) 및 후속하는 복수의 배터리 어셈블리(120)의 제1 크로스 빔(125a)의 사이에 개재될 수 있다. 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제2 크로스 빔(125b) 및 후속하는 복수의 배터리 어셈블리(120)의 제1 크로스 빔(125a)은 단열재(150)를 사이에 두고 X 방향으로 이격될 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 어셈블리들(120)은 단열재(150)를 사이에 두고 X 방향으로 이격될 수 있다.
단열재(150)는 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)에 접할 수 있다. 단열재(150)는 플레이트(P1a)의 하부, 플레이트(P2a), 리브(R2a) 플레이트(P1b)의 상부, 플레이트(P2b) 및 리브(R2a)와 접할 수 있다.
제1 크로스 빔(125a), 제2 크로스 빔(125b) 및 단열재(150)는 크로스 빔 어셈블리(CBA)를 구성할 수 있다. 크로스 빔 어셈블리(CBA)는 센터 빔(130)과 수직한 방향(즉, Y 방향)으로 연장될 수 있다. 크로스 빔 어셈블리(CBA)는 셀 스택들(121)을 X 방향으로 격리시킬 수 있다. 크로스 빔 어셈블리(CBA)는 이웃한 셀 스택들(121) 사이에 개재될 수 있다.
복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제2 크로스 빔(125b) 및 후속하는 복수의 배터리 어셈블리(120)의 제1 크로스 빔(125a)은 볼트 등과 같은 기계적인 고정기들(160)에 의해 결합될 수 있다. 고정기들(160)은 리브들(R1a, R2a, R3a, R4a) 각각의 복수의 장공들(SLa) 및 리브들(R1b, R2b, R3b) 각각의 복수의 장공들(SLb)을 관통하여 플레이트 부(111)에 결합될 수 있다. 이에 따라, 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 제2 크로스 빔(125b) 및 후속하는 복수의 배터리 어셈블리(120)의 제1 크로스 빔(125a)은 서로 고정될 수 있다. 고정기들(160)은 단열재(150)를 관통할 수 있다. 이에 따라, 단열재(150)는 복수의 홀들을 포함할 수 있다. 단열재(150)의 복수의 홀들은 복수의 장공들(SLa, SLb)과 중첩될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)은 서로 다르고, 및 상보적인 형상을 가질 수 있다. 격벽 어셈블리들(125) 각각의 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b)은 서로 맞물릴 수 있다.
X 방향의 양단에 배치된 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 제1 크로스 빔(125a)은 하우징(110)의 플레이트 부(111) 상에 배치된 지지대(116)와 결합될 수 있다. 제1 크로스 빔(125a)과 지지대(116)는 고정기들(160)에 의해 고정될 수 있다.
복수의 배터리 어셈블리들(120)은 X 방향 및 Y 방향으로 배열될 수 있다. 도 1에서, X 방향으로 배치된 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 개수는 셋이고, Y 방향으로 배치된 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 개수는 둘이다. 따라서, 이러한 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 배열은 3 * 2의 배치라고 할 수 있다. 당업계의 통상의 기술자는 여기에 설명된 바에 기초하여 M * N으로 배치된 복수의 배터리 어셈블리들(120)에 용이하게 도달할 수 있을 것이다. 여기서, M, N 각각은 2 이상의 정수이다.
센터 빔(130)은 하우징(110) 상에 배치되는 요소들을 서로 격리시킬 수 있다. 이에 따라, 센터 빔(130)은 복수의 배터리 어셈블리들(120)을 보호하는 동시에 이들 사이의 원치 않는 단락을 방지할 수 있다.
센터 빔(130)은 대향하는 측벽들(112) 사이에서 연장될 수 있다. 센터 빔(130)은 X 방향으로 연장될 수 있다. 센터 빔(130)은 측벽들(112) 중 어느 하나와 접할 수 있다. 센터 빔(130)은 복수의 배터리 어셈블리들(120)을 서로 격리시킬 수 있다. 센터 빔(130)은 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 사이에 개재될 수 있다.
측벽들(112) 중 일부에 복수의 배기 장치들(140)이 결합될 수 있다. 측벽들(112)은 복수의 배기 장치들(140)과 연결된 배기 경로를 포함할 수 있다. 복수의 배기 장치들(140)은 복수의 배터리 어셈블리들(120) 중 적어도 어느 하나가 열 폭주(Thermal Runway) 상태에 있는 경우 배터리 팩(100) 내부의 고온의 가스를 외부로 방출함으로써 열 전파(Thermal Propagation)를 지연시키도록 구성될 수 있다.
여기서 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 열폭주는 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 온도 변화가 그 온도 변화를 더욱 가속시키는 상태로서, 통제 불가능한 양성 피드백이다. 열폭주 상태의 복수의 배터리 어셈블리들(120)은 급격한 온도 상승을 나타내며, 다량의 고압 가스 및 연소 잔해를 배출한다.
배터리 팩(100)은 전장 부품들을 더 포함할 수 있다. 전장 부품들은 하우징(110) 상에 배치될 수 있다. 전장 부품들은 배기 장치들(140)이 설치되는 측벽(112)과 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 사이에 배치될 수 있다. 전장 부품들은 배터리 팩을 구동시키기 위해 필요한 임의의 전자 소자를 포함할 수 있다.
전장 부품들은 예컨대, BMS(Battery Management System)를 포함할 수 있다. BMS는 배터리 팩의 모니터링, 밸런싱 및 제어 등을 수행하도록 구성될 수 있다. 배터리 팩(100)의 모니터링은 복수의 배터리 어셈블리들(120) 내부의 특정 노드들의 전압 및 전류의 측정 및 배터리 팩(100) 내부의 설정된 위치들의 온도의 측정을 포함할 수 있다. 배터리 팩(100)은 상술된 전압, 전류 및 온도를 측정하기 위한 계측기들을 포함할 수 있다.
배터리 팩(100)의 밸런싱은 복수의 배터리 어셈블리들(120)의 사이의 편차를 줄이는 동작이다. 배터리 팩(100)의 제어는 과충전, 과방전 및 과전류의 발생을 방지하는 것을 포함한다. 모니터링, 밸런싱 및 제어를 통해 배터리 팩(100)은 최적 조건에서 동작할 수 있으며, 이에 따라 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 수명 단축이 방지될 수 있다.
전장 부품들은 냉각 장치, PRA(Power Relay Assembly), 안전 플러그 등을 더 포함할 수 있다. 냉각 장치는 냉각 팬을 포함할 수 있다. 냉각 팬은 배터리 팩(100) 내부의 공기를 순환시킴으로써 복수의 배터리 어셈블리들(120) 각각의 과열을 방지할 수 있다. PRA는 고전압 배터리의 전력을 외부 부하(예컨대, 차량의 모터)로 공급하거나 차단하도록 구성될 수 있다. PRA는 전압 서지 등과 같은 이상 전압이 발생하는 상황에서 외부 부하(예컨대, 차량의 모터)로의 전원 공급을 차단함으로써 복수의 배터리 어셈블리들(120) 및 외부 부하(예컨대, 차량의 모터)를 보호할 수 있다.
배터리 팩(100)은 복수의 배터리 어셈블리들(120)을 전기적으로 연결시키도록 구성된 복수의 버스바들을 더 포함할 수 있다. 복수의 배터리 어셈블리들(120)은 복수의 버스바들에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 이에 따라, 배터리 팩(100)은 외부의 부하(예컨대, 차량의 모터)에 높은 전압을 출력하도록 구성될 수 있다.
배터리 팩(100)은 측벽들(112)에 결합되는 리드 플레이트를 더 포함할 수 있다. 리드 플레이트는 배터리 어셈블리들(120) 및 전장 부품과 같이 배터리 팩(100) 내부에 배치되는 요소들을 커버할 수 있다. 리드 플레이트는 예컨대 볼트와 같은 기계적인 결합 수단에 의해 배터리 팩(100)에 고정될 수 있다.
(제2 실시예)
도 7은 도 2에 대응되는 부분을 나타낸다. 이에 따라, 도 7에 도시된 크로스 빔 어셈블리(CBAa)는 도 2의 크로스 빔 어셈블리(CBA)를 대체할 수 있다.
도 7을 참조하면, 크로스 빔 어셈블리(CBAa)는 단열재를 포함하지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b) 사이에 에어 갭(AG)이 있을 수 있고, 크로스 빔 어셈블리(CBAa)가 경량화될 수 있다. 또한, 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b) 사이의 에어 갭(AG)은 단열재의 기능을 할 수 있다.
(제3 실시예)
도 8은 도 2에 대응되는 부분을 나타낸다. 이에 따라, 도 8에 도시된 크로스 빔 어셈블리(CBAb)는 도 2의 크로스 빔 어셈블리(CBA)를 대체할 수 있다.
도 3, 도 5 및 도 8을 참조하면, 크로스 빔 어셈블리(CBAb)의 단열재(151)는 도 2의 단열재(150)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b) 사이에 에어 갭(AG)이 있을 수 있고, 크로스 빔 어셈블리(CBAb)가 경량화될 수 있다.
보다 구체적으로, 단열재(151)는 리브들(R2a, R1b)과 접할 수 있다. 단열재(151)는 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b) 중 일부와 이격될 수 있다. 단열재(151)는 플레이트들(P2a, P1b) 중 어느 하나와 이격될 수 있다. 이에 따라, 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b)의 사이에 에어 갭(AG)이 있을 수 있다.
(제4 실시예)
도 9는 도 2에 대응되는 부분을 나타낸다. 이에 따라, 도 9에 도시된 크로스 빔 어셈블리(CBAc)는 도 2의 크로스 빔 어셈블리(CBA)를 대체할 수 있다.
도 3, 도 5 및 도 8을 참조하면, 크로스 빔 어셈블리(CBAc)의 단열재들(152)은 도 2의 단열재(150)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 크로스 빔(125a) 및 제2 크로스 빔(125b) 사이에 에어 갭(AG)이 있을 수 있고, 크로스 빔 어셈블리(CBAc)가 경량화될 수 있다.
보다 구체적으로, 단열재들(152)은 플레이트들(P1a, P2a, P1b, P2b)과 접하고, 리브들(R2a, R1b) 중 어느 하나와 이격될 수 있다. 이에 따라, 리브들(R2a, R1b)의 사이에 에어 갭(AG)이 있을 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (13)

  1. 플레이트 부를 포함하는 하우징; 및
    상기 하우징의 상기 플레이트 부의 상면 상에 배치되고, 복수의 배터리 셀들을 포함하는 제1 및 제2 배터리 어셈블리들을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각은, 셀 스택 및 상기 셀 스택을 사이에 두고 서로 이격된 제1 및 제2 크로스 빔들을 포함하고,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔과 다르고, 및 상보적인 형상을 갖고,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔과 대면하며, 및
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔은 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔으로부터 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 에어 갭이 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각의 상기 제1 크로스 빔은,
    상기 셀 스택의 제1 측면을 커버하는 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트를 사이에 두고 상기 셀 스택과 이격된 제2 플레이트; 및
    상기 제1 및 제2 플레이트들 각각에 연결되고 상기 제1 및 제2 플레이트들의 사이에 개재된 제1 및 제2 리브들을 포함하고, 및
    상기 제1 및 제2 배터리 어셈블리들 각각의 상기 제2 크로스 빔은,
    상기 셀 스택의 제2 측면을 커버하는 제3 플레이트로서, 상기 제2 측면은 상기 제1 측면의 반대이고;
    상기 제3 플레이트를 사이에 두고 상기 셀 스택과 이격된 제4 플레이트; 및
    상기 제3 및 제4 플레이트들 각각에 연결되고 상기 제3 및 제4 플레이트들의 사이에 개재된 제3 및 제4 리브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 플레이트들 및 상기 제1 내지 제4 리브들 각각의 두께는 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 리브들 각각은 복수의 장공들을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 리브들 각각의 상기 복수의 장공들은 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 배터리 어셈블리 및 상기 제2 배터리 어셈블리는 제1 방향으로 서로 이격되고, 및
    상기 장공들의 상기 제1 방향의 길이는 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향의 길이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함하되,
    상기 단열재는 상기 제1 내지 제4 플레이트들 및 제2 및 제3 리브들과 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔을 고정하는 복수의 고정기들을 더 포함하되,
    상기 복수의 고정기들은 상기 단열재를 관통하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함하되,
    상기 단열재는 상기 제2 및 제3 플레이트들과 접하고, 및
    상기 단열재는 상기 제2 및 제3 리브들 중 어느 하나로부터 이격된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 에어 갭이 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 제2 배터리 어셈블리의 상기 제1 크로스 빔과 상기 제1 배터리 어셈블리의 제2 크로스 빔의 사이에 개재된 단열재를 더 포함하되,
    상기 단열재는 상기 제2 및 제3 플레이트 중 어느 하나로부터 이격되고, 및
    상기 단열재는 상기 제2 및 제3 리브들과 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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