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KR20230092751A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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KR20230092751A
KR20230092751A KR1020220169726A KR20220169726A KR20230092751A KR 20230092751 A KR20230092751 A KR 20230092751A KR 1020220169726 A KR1020220169726 A KR 1020220169726A KR 20220169726 A KR20220169726 A KR 20220169726A KR 20230092751 A KR20230092751 A KR 20230092751A
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KR
South Korea
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bus bar
battery pack
battery
battery cells
cooling
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Pending
Application number
KR1020220169726A
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English (en)
Inventor
양진오
오광근
정인혁
최해원
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.)
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 복수 개의 배터리 셀들, 복수 개의 배터리 셀들의 일측에 구비되며, 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리 및 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되며, 버스바 어셈블리를 고정하는 쿨링 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{BATTERY PACK AND VEHICLE COMPRISING THE BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각 성능이 향상된 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다.
종래 배터리 팩의 경우, 일반적으로, 복수 개의 배터리 셀 및 이러한 복수 개의 배터리 셀을 수용하는 셀 프레임을 포함하여 구성된다. 종래 셀 프레임은, 일반적으로, 상기 복수 개의 배터리 셀을 수용하며 강성 등의 확보를 위해 전방 플레이트, 후방 플레이트, 사이드 플레이트, 로어 플레이트 및 어퍼 플레이트 등의 복수 개의 플레이트들의 조립체로 구성된다.
그러나, 종래 배터리 팩의 경우, 이러한 복수 개의 플레이트들의 조립체로 구성되는 셀 프레임 구조의 특성 상, 제조 비용이 증가하며 조립 공정이 복잡하여, 제조 효율 측면에서 불리한 문제가 있다.
아울러, 종래 배터리 팩의 경우, 이러한 복수 개의 플레이트들의 조립체로 구성되는 셀 프레임 구조의 특성 상 냉각을 위한 쿨링 유닛의 배치도 어려운 문제가 있으며, 쿨링 유닛의 적절한 배치가 어려워 냉각 성능 또한 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 에너지 밀도를 높이며, 제조 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명은, 배터리 팩으로서, 복수 개의 배터리 셀들; 상기 복수 개의 배터리 셀들의 일측에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리; 및 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되며, 상기 버스바 어셈블리를 고정하는 쿨링 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
또한, 바람직하게, 상기 쿨링 유닛은, 상기 배터리 팩의 폭 방향에서, 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 최외곽 양측에 배치되는 배터리 셀들을 제외한 나머지 배터리 셀들의 양측면 모두에 접촉되게 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 쿨링 유닛은, 상기 배터리 팩의 길이 방향을 따라 소정 길이로 형성되고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되는 냉각 튜브; 상기 냉각 튜브 내에 구비되며, 상기 배터리 셀들의 냉각을 위한 냉각 유체를 순환시키도록 구성된 냉각 유로; 및 상기 냉각 유로와 연통되게 상기 냉각 튜브와 연결되는 냉각 유체 유출입부를 포함하며, 상기 버스바 어셈블리는, 상기 냉각 튜브와 연결되어 고정될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 쿨링 유닛은, 상기 냉각 튜브에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리에 연결되는 고정 홀더를 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 고정 홀더는, 상기 냉각 튜브의 상측에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리에 끼워질 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 고정 홀더는, 상기 냉각 튜브의 길이 방향을 따라 소정 길이로 형성되며, 상기 버스바 어셈블리의 저부에 배치될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 버스바 어셈블리는, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 상측을 커버하는 버스바 커버; 및 상기 버스바 커버에 삽입되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양극 및 음극과의 전기적 연결을 위한 상기 단일층의 서브 버스바를 포함하며, 상기 버스바 커버는, 상기 냉각 튜브에 연결되어 고정될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 서브 버스바는, 상기 버스바 커버에 삽입되며, 상기 배터리 팩의 폭 방향을 따라 소정 길이로 형성되는 버스바 브릿지; 상기 버스바 브릿지로부터 일체로 연장되어 돌출되는 양극 연결부; 및 상기 버스바 브릿지로부터 일체로 연장되어 상기 양극 연결부의 반대 방향으로 돌출되는 음극 연결부를 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 버스바 커버는, 상기 버스바 브릿지를 커버하는 메인 커버; 및 상기 메인 커버와 연결되며, 상기 배터리 팩의 길이 방향을 따라 소정 길이로 형성되어 상기 메인 커버를 지지하는 센터 커버를 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 버스바 커버는, 절연 재질로 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 버스바 커버는, 폴리 이미드 필름으로 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 배터리 팩은, 상기 쿨링 유닛과 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간에 채워지는 충진부재를 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 충진부재는, 포팅 레진으로 구비될 수 있다.
또한, 바람직하게, 상기 충진부재는, 실리콘 레진으로 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 자동차로서, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
또한, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 에너지 밀도를 높이며, 제조 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공할 수 있다.
이외에도 본 발명의 여러 실시예에 의하여, 여러 다른 추가적인 효과가 달성될 수 있다. 이러한 본 발명의 여러 효과들에 대해서는 각 실시예에서 상세하게 설명하거나, 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 효과에 대해서는 그 설명을 생략한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 배터리 팩의 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 배터리 셀의 내부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는 도 3의 배터리 셀의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 6은 도 3의 배터리 셀의 하부 구조를 나타내는 부분 단면도이다.
도 7은 도 3의 배터리 셀의 저면도이다.
도 8은 도 2의 배터리 팩의 버스바 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 버스바 어셈블리의 연결 버스바 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 연결 버스바 유닛의 분해 사시도이다.
도 11은 도 10의 연결 버스바 유닛의 서브 버스바를 설명하기 위한 도면이다.
도 12은 도 2의 배터리 팩의 쿨링 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 12의 쿨링 유닛의 단면도이다.
도 14 내지 도 17은 도 12의 쿨링 유닛의 고정 홀더들을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 1의 배터리 팩의 충진부재 주입을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용될 수 있으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 팩(1)은, 에너지원으로서, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 구비될 수 있다. 이하, 이러한 상기 전기 자동차 등에 대해 구비되는 상기 배터리 팩(1)에 대해서는 하기 관련 도면에서 보다 상세히 설명한다.
상기 배터리 팩(1)은, 복수 개의 배터리 셀들(100), 버스바 어셈블리(200) 및 쿨링 유닛(300)을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 배터리 셀들(100)은, 이차 전지로서, 원통형 이차 전지, 파우치형 이차 전지 또는 각형 이차 전지로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)이 원통형 이차 전지인 것으로 한정하여 설명한다.
상기 버스바 어셈블리(200)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 일측에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 버스바 어셈블리(200)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상측(+Z축 방향)에 구비될 수 있다.
상기 쿨링 유닛(300)은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 쿨링 유닛(300)은, 복수 개로 구비되어, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이 사이에 배치될 수 있다. 이러한 상기 복수 개의 쿨링 유닛(300)은, 상기 버스바 어셈블리(200)를 고정할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 쿨링 유닛(300)은, 상기 배터리 셀들(100) 사이 사이에 배치됨으로써, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 높일 수 있다. 또한, 상기 쿨링 유닛(300)은, 상기 배터리 셀들(100) 일측에 배치되는 상기 버스바 어셈블리(200)를 보다 안정적으로 고정시킴으로써, 상기 배터리 셀들(100)과 연결되는 상기 버스바 어셈블리(200)를 보다 안정적으로 지지하면서 상기 버스바 어셈블리(200)와 상기 배터리 셀들(100)의 전기적 연결의 안정성 또한 높일 수 있다.
상기 쿨링 유닛(300)은, 상기 배터리 팩(10)의 폭 방향(+X축 방향)에서, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 최외곽 양측에 배치되는 배터리 셀들(100)을 제외한 나머지 배터리 셀들(100)의 양측면 모두에 접촉되게 구비될 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 쿨링 유닛(300)과 상기 배터리 셀들(100)의 접촉 면적을 현저히 높일 수 있어, 상기 쿨링 유닛(300)을 통한 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
이하, 각 배터리 셀(100)에 대해 하기 관련 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 3은 도 2의 배터리 팩의 배터리 셀을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 3의 배터리 셀의 내부 구조를 나타내는 부분 단면도이며, 도 5는 도 3의 배터리 셀의 상부 구조를 나타내는 부분 단면도이며, 도 6은 도 3의 배터리 셀의 하부 구조를 나타내는 부분 단면도이며, 도 7은 도 3의 배터리 셀의 저면도이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은, 전극 조립체(10), 전지 캔(20), 캡 플레이트(30) 및 제1 전극 단자(40)를 포함한다. 상기 배터리 셀(100)은, 상술한 구성요소들 이 외에도 추가적으로 절연 가스켓(50) 및/또는 상부 집전 플레이트(60) 및/또는 절연 플레이트(70) 및/또는 하부 집전 플레이트(80) 및/또는 실링 가스켓(90)을 더 포함할 수도 있다.
상기 전극 조립체(10)는, 제1 극성을 갖는 제1 전극판, 제2 극성을 갖는 제2 전극판 및 제1 전극판과 제2 전극판 사이에 개재되는 분리막을 포함한다. 상기 제1 전극판은 양극판 또는 음극판이고, 제2 전극판은 제1 전극판과 반대되는 극성을 갖는 전극판에 해당한다.
상기 전극 조립체(10)는, 예를 들어 젤리-롤(jelly-roll) 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 전극 조립체(10)는, 제1 전극판, 분리막, 제2 전극판을 순차적으로 적어도 1회 적층하여 형성된 적층체를 권취 중심(C)을 기준으로 하여 권취시킴으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 상기 전극 조립체(10)의 외주면 상에는 전지 캔(20)과의 절연을 위해 분리막이 구비될 수 있다.
상기 제1 전극판은, 제1 전극 집전체 및 제1 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제1 전극 활물질을 포함한다. 상기 제1 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 단부에는 제1 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 제1 전극 탭으로서 기능한다. 상기 제1 전극 탭(11)은, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 상부에 구비된다.
상기 제2 전극판은, 제2 전극 집전체 및 제2 전극 집전체의 일 면 또는 양 면 상에 도포된 제2 전극 활물질을 포함한다. 상기 제2 전극 집전체의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 타 측 단부에는 제2 전극 활물질이 도포되지 않은 무지부가 존재한다. 상기 무지부는, 제2 전극 탭(12)으로서 기능한다. 상기 제2 전극 탭(12)은, 전지 캔(20) 내에 수용된 전극 조립체(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 하부에 구비된다.
상기 전지 캔(20)은, 하방에 개구부가 형성된 원통형의 수용체로서, 도전성을 갖는 금속 재질로 이루어진다. 상기 전지 캔(20)의 측면과 상면은 일체로 형성된다. 상기 전지 캔(20)의 상면은 대략 플랫(flat)한 형태를 갖는다. 상기 전지 캔(20)은, 하방에 형성된 개구부를 통해 전극 조립체(10)를 수용하며, 전해질도 함께 수용한다.
상기 전지 캔(20)은, 전극 조립체(10)의 제2 전극 탭(12)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 전지 캔(20)은, 제2 전극 탭(12)과 동일한 극성을 갖는다.
상기 전지 캔(20)은, 그 하단에 형성된 비딩부(21) 및 크림핑부(22)를 구비할 수 있다. 상기 비딩부(21)는, 전극 조립체(10)의 하부에 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 외주면 둘레를 압입하여 형성된다. 상기 비딩부(21)는, 전지 캔(20)의 폭과 대응되는 사이즈를 갖는 전극 조립체(10)가 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개구부를 통해 빠져나오지 않도록 하며, 캡 플레이트(30)가 안착되는 지지부로서 기능할 수 있다.
상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하부에 형성된다. 상기 크림핑부(22)는, 비딩부(21)의 하방에 배치되는 캡 플레이트(30)의 외주면, 그리고 캡 플레이트(30)의 하면의 일부를 감싸도록 연장 및 절곡된 형태를 갖는다.
상기 캡 플레이트(30)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지는 부품이며, 전지 캔(20)의 하단에 형성된 개구부를 커버한다. 즉, 상기 캡 플레이트(30)는, 배터리 셀(100)의 하면을 이룬다. 상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20)에 형성된 비딩부(21) 상에 안착되며, 크림핑부(22)에 의해 고정된다. 상기 캡 플레이트(30)와 전지 캔(20)의 크림핑부(22) 사이에는 전지 캔(20)의 기밀성을 확보하기 위해 기밀 가스켓(90)이 개재될 수 있다.
상기 캡 플레이트(30)는, 전지 캔(20) 내부에 발생된 가스로 인한 내압 증가를 방지하기 위해 형성되는 벤팅부(31)를 더 구비할 수 있다. 상기 벤팅부(31)는, 캡 플레이트(30) 중 주변 영역과 비교하여 더 얇은 두께를 갖는 영역에 해당한다. 상기 벤팅부(31)는, 주변 영역과 비교하여 구조적으로 취약하다. 따라서, 상기 배터리 셀(100)에 이상이 발생하여 내부 압력이 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 벤팅부(31)가 파단되어 전지 캔(20)의 내부에 생성된 가스가 배출된다.
상기 전지 캔(20)의 상면에는, 상기 제1 전극 단자(40) 및 상기 절연 가스켓(50)을 배치하기 전에 홀을 미리 형성할 수 있다. 이에 한정되는 것 은 아니며 상기 홀의 형성은 다른 방식으로도 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극단자(40)가 삽입되면서 홀이 형성되거나, 직경이 다른 홀이 미리 형성되거나, 상면이 노치되거나 또는 사전에 미리 노치되어 상기 제1 전극단자(40)의 삽입이 이루어질 수 있다. 즉, 홀을 원하는 크기로 확장하거나 또는 노치를 뚫어 작은 홀을 만든 다음 원하는 크기로 확장할 수도 있다. 아울러, 홀을 형성하는 기타 다른 방식이 사용되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)은, 상부에 양극 단자 및 음극 단자가 모두 존재하는 구조를 가지며, 이로 인해 상부의 구조가 하부의 구조보다 더 복잡하다. 따라서, 상기 전지 캔(20)의 내부 발생된 가스의 원활한 배출을 위해 배터리 셀(100)의 하면을 이루는 캡 플레이트(30)에 벤팅부(31)가 형성될 수 있다.
상기 벤팅부(31)는 캡 플레이트(30) 상에 원을 그리며 연속적으로 형성될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 벤팅부(31)는 캡 플레이트(30) 상에 원을 그리며 불연속적으로 형성될 수도 있고, 직선 형태 또는 그 밖의 다른 형태로 형성될 수도 있다.
상기 제1 전극 단자(40)는, 전도성을 갖는 금속 재질로 이루어지며, 전지 캔(20)의 상면을 통과하여 전극 조립체(10)의 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 제1 전극 단자(40)는 제1 극성을 갖는다. 상기 제1 전극 단자(40)는, 제2 극성을 갖는 전지 캔(20)과는 전기적으로 절연된다.
상기 제1 전극 단자(40)는, 노출 단자부(41) 및 삽입 단자부(42)를 포함한다. 상기 노출 단자부(41)는, 전지 캔(20)의 외측으로 노출된다. 상기 노출 단자부(41)는, 전지 캔(20)의 상면의 중심부에 위치한다. 상기 삽입 단자부(42)는, 전지 캔(20)의 상면의 중심부를 관통하여 제1 전극 탭(11)과 전기적으로 연결된다. 상기 삽입 단자부(42)는, 전지 캔(20)의 내측 면 상에 리벳(rivet) 결합될 수 있다.
상기 전지 캔(20)의 상면과 상기 제1 전극 단자(40)는 서로 반대의 극성을 가지고 서로 동일한 방향을 향한다. 또한, 상기 제1 전극 단자(40)와 전지 캔(20)의 상면 사이에는 단차가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지 캔(20)의 상면 전체가 플랫한 형상을 갖거나 그 중심부에서 상방으로 돌출된 형상을 갖는 경우에는 제1 전극 단자(40)의 노출 단자부(41)가 전지 캔(20)의 상면보다 상부로 더 돌출될 수 있다. 이와는 반대로, 상기 전지 캔(20)의 상면이 그 중심부에서 하방으로, 즉 전극 조립체(10)를 향하는 방향으로 오목하게 만입된 형상을 갖는 경우에는, 전지 캔(20)의 상면이 제1 전극 단자(40)의 노출 단자부(41)보다 상부로 더 돌출될 수 있다.
상기 절연 가스켓(50)은, 전지 캔(20)과 제1 전극 단자(40) 사이에 개재되어 서로 반대 극성을 갖는 전지 캔(20) 과 제1 전극 단자(40)가 서로 접촉되는 것을 방지한다. 이로써 대략 플랫한 형상을 갖는 전지 캔(20)의 상면이 배터리 셀(100)의 제2 전극 단자로서 기능할 수 있다.
상기 절연 가스켓(50)은, 노출부(51) 및 삽입부(52)를 포함한다. 상기 노출부(51)는 제1 전극 단자(40)의 노출 단자부(41)와 전지 캔(20) 사이에 개재된다. 상기 삽입부(52)는 제1 전극 단자(40)의 삽입 단자부(42)와 전지 캔(20) 사이에 개재된다. 상기 절연 가스켓(50)은, 예를 들어 절연성을 갖는 수지 재질로 이루어질 수 있다.
상기 절연 가스켓(50)이 수지 재질로 이루어지는 경우에 있어서, 절연 가스켓(50)은, 예로써, 열 융착에 의해 상기 전지 캔(20) 및 제1 전극 단자(40)와 결합될 수 있다. 이 경우, 절연 가스켓(50)과 제1 전극 단자(40)의 결합 계면 및 절연 가스켓(50)과 전지 캔(20)의 결합 계면에서의 기밀성이 강화될 수 있다.
상기 전지 캔(20)의 상면 중에서 상기 제1 전극 단자(40) 및 상기 절연 가스켓(50)이 차지하는 영역을 제외한 나머지 영역 전체가 상기 제1 전극 단자(40)와 반대 극성을 갖는 제2 전극 단자(20a)에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)은, 그 길이 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측에 제1 극성을 갖는 제1 전극 단자(40) 및 제1 전극 단자(40)와 전기적으로 절연되며 제2 극성을 갖는 제2 전극 단자(20a)가 함께 구비된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)은, 한 쌍의 전극 단자(40, 20a)가 동일 방향에 위치하므로, 복수 개의 배터리 셀들(100)을 전기적으로 연결시키는 경우에 있어서, 하기 버스바 어셈블리(200) 등의 전기적 연결 부품을 배터리 셀들(100)의 일 측에만 배치시키는 것이 가능하다. 이는, 배터리 팩(1) 구조의 단순화 및 에너지 밀도의 향상을 가져올 수 있다.
이하에서는, 이러한 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과의 전기적 연결을 위한 상기 버스바 어셈블리(200)에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 버스바 어셈블리(200)는, 상기 배터리 셀들(100)의 일측, 구체적으로, 상기 배터리 셀들(100)의 상측(+Z축 방향)에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 버스바 어셈블리(200)의 전기적 연결은, 병렬 및/또는 직렬 연결일 수 있다.
이러한 상기 버스바 어셈블리(200)은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 제1 극성을 갖는 상기 제1 전극 단자(40, 도 3 참조) 및 제2 극성을 갖는 전지 캔(20, 도 3 참조)의 제2 전극 단자(20a, 도 3 참조)와 전기적으로 연결되며, 외부 충/방전 라인 등과 커넥터 터미널(290) 등을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 극성은 양극일 수 있으며, 제2 극성은 음극일 수 있다.
이하, 상기 버스바 어셈블리(200)의 구성들에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
도 8은 도 2의 배터리 팩의 버스바 어셈블리를 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 도 8의 버스바 어셈블리의 연결 버스바 유닛을 설명하기 위한 도면이며, 도 10은 도 9의 연결 버스바 유닛의 분해 사시도이며, 도 11은 도 10의 연결 버스바 유닛의 서브 버스바를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 11 및 앞선 도 2를 참조하면, 상기 버스바 어셈블리(200)는, 후술하는 쿨링 유닛(300)의 냉각 튜브(310)에 연결되어 고정될 수 있다. 이에 따라, 상기 버스바 어셈블리(200)는, 상기 배터리 셀들(100)의 상측(+Z축 방향)에서 보다 안정적으로 배치될 수 있어 상기 전기적 연결을 정확성을 보다 더 높일 수 있다.
상기 버스바 어셈블리(200)는, 메인 버스바 유닛(210), 연결 버스바 유닛(230), 인터커넥션 보드(260) 및 커넥터 터미널(290)을 포함할 수 있다.
상기 메인 버스바 유닛(210)은, 복수 개로 구비되며, 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)에서 최외곽에 배치되는 배터리 셀들(100)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 상기 메인 버스바 유닛(210)은, 후술하는 커넥터 터미널(290)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 연결 버스바 유닛(230)은, 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)에서 상기 메인 버스바 유닛(210) 사이에 배치되고, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)과 전기적으로 연결되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 커버할 수 있다.
이러한 상기 연결 버스바 유닛(230)은, 버스바 커버(240) 및 서브 버스바(250)를 포함할 수 있다.
상기 버스바 커버(240)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 상측(+Z축 방향)을 커버할 수 있다. 이러한 상기 버스바 커버(240)는, 상기 배터리 셀들(100)의 상측(+Z축 방향)에서의 보다 안정적인 배치를 위해, 상기 쿨링 유닛(300)의 후술하는 냉각 튜브(310)에 연결되어 고정될 수 있다.
상기 버스바 커버(240)는, 절연 재질로 구비될 수 있다. 예로써, 상기 버스바 커버(240)는, 폴리 이미드 필름으로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 버스바 커버(240)는, 절연 재질로 구비되는 기타 다른 절연 부재로 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이러한 상기 버스바 커버(240)는, 상기 배터리 팩(1)의 상하 방향(Z축 방향)에서 상호 대응되는 형상 및 크기를 갖게 한 쌍으로 구비되어 상호 결합될 수 있다. 여기서, 후술하는 서브 버스바(250)는 단일층으로서, 상기 한 쌍의 버스바 커버(240) 사이에 삽입되어 구비될 수 있다.
상기 버스바 커버(240)는, 메인 커버(242) 및 센터 커버(246)를 포함할 수 있다.
상기 메인 커버(242)는, 후술하는 서브 버스바(250)의 버스바 브릿지(252)를 커버할 수 있다. 이러한 상기 메인 커버(242)는, 상기 버스바 브릿지(252)의 형상에 대응되는 형상으로 가지며, 상기 버스바 브릿지(252)의 상하측을 커버할 수 있다.
상기 센터 커버(246)는, 상기 메인 커버(242)와 연결되며, 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 길이로 형성되어 상기 메인 커버(242)를 지지할 수 있다. 이러한 상기 센터 커버(246)는, 상기 버스바 커버(240)의 정중앙에 형성되어 상기 버스바 커버(240)의 휨이나 뒤틀림 등을 방지할 수 있다.
상기 버스바 커버(240)는, 엣지 커버(248)를 포함할 수 있다.
상기 엣지 커버(248)는, 한 쌍으로 구비되어 상기 센터 커버(246)를 사이에 두고 상기 폭 방향(X축 방향)에서, 상기 버스바 커버(240)의 양단부에 구비될 수 있다.
상기 한 쌍의 엣지 커버(248)는, 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 길이로 형성되어 상기 센터 커버(246)와 함께 상기 버스바 커버(240)의 휨이나 뒤틀림 등을 방지할 수 있다.
이러한 상기 한 쌍의 엣지 커버(248)와 상기 센터 커버(246) 사이에는 상기 메인 커버(242)가 구비될 수 있다. 상기 메인 커버(242)는, 상기 한 쌍의 엣지 커버(248)와 상기 센터 커버(246) 사이에서 소정의 개구 공간을 형성하며 배치될 수 있다. 이러한 상기 개구 공간은, 후술하는 서브 버스바(250)의 양극 연결부(254)과 음극 연결부(256)의 전기적 연결 및 후술하는 충진부재(500)의 보다 더 원활한 주입을 가이드 할 수 있다.
상기 서브 버스바(250)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 양극인 제1 전극 단자(40) 및 음극인 제2 전극 단자(20a)와의 전기적 연결을 위한 것으로서, 상기 버스바 커버(240) 상측에 구비되거나 또는 한 쌍의 버스바 커버(240) 내에 삽입되어 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 서브 버스바(250)가 상기 버스바 커버(240) 내에 삽입되거나 또는 결합되는 것으로 한정하여 설명한다.
이러한 상기 서브 버스바(250)는, 버스바 브릿지(252), 양극 연결부(254) 및 음극 연결부(256)를 포함할 수 있다.
상기 버스바 브릿지(252)는, 복수 개로 구비되며, 상기 버스바 커버(240)의 상기 메인 커버(242)에 삽입되며, 상기 배터리 팩(1)의 폭 방향(X축 방향)을 따라 소정 길이로 형성될 수 있다.
이러한 상기 버스바 브릿지(252)는, 도전성 재질로 구비될 수 있다. 예로써, 버스바 브릿지(252)는, 금속 재질로서, 알루미늄 또는 구리 재질로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 버스바 브릿지(252)는, 상기 전기적 연결을 위한 기타 다른 재질로 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
이러한 상기 버스바 브릿지(252)는, 상기 배터리 셀들(100)과의 전기적 연결 효율을 높일 수 있게 상기 배터리 팩(1)의 폭 방향(X축 방향)에서 상기 배터리 셀들(100)의 배치 구조에 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서, 상기 버스바 브릿지(252)는, 상기 배터리 팩(1)의 폭 방향(X축 방향)에서 지그 재그 형태로 배치될 수 있다.
상기 양극 연결부(254)는, 상기 버스바 브릿지(252)로부터 일체로 연장되어 상기 버스바 커버(240) 밖으로 돌출될 수 있다. 이러한 상기 양극 연결부(254)는, 상기 배터리 셀(100)의 양극인 제1 전극 단자(40, 도 3 참조)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기적 연결은, 레이저 용접이나 초음파 용접과 같은 전기적 연결을 위한 용접 공정 등을 통해 수행될 수 있다.
상기 양극 연결부(254)와 상기 배터리 셀(100)의 양극(40, 제1 전극 단자)의 연결은, 상기 버스바 커버(240) 밖의 개구 공간에서 수행되므로, 상기 연결 시, 상기 연결을 위한 용접 공정 등이 상기 개구 공간에서 별도의 추가 공정 없이 곧바로 수행될 수 있다.
상기 음극 연결부(256)는, 상기 버스바 브릿지(252)로부터 일체로 연장되어 상기 양극 연결부(254)의 반대 방향으로 돌출되며, 상기 버스바 커버(240) 밖으로 돌출될 수 있다.
이러한 상기 음극 연결부(256)는, 상기 배터리 셀(100)의 음극인 제2 전극 단자(20a, 도 3 참조)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기적 연결은, 레이저 용접이나 초음파 용접과 같은 전기적 연결을 위한 용접 공정 등을 통해 수행될 수 있다.
상기 음극 연결부(256)와 상기 배터리 셀(100)의 음극(20a, 제2 전극 단자)의 연결은, 상기 버스바 커버(240) 밖의 개구 공간에서 수행되므로, 상기 연결 시, 상기 연결을 위한 용접 공정 등이 상기 개구 공간에서 별도의 추가 공정 없이 곧바로 수행될 수 있다.
상기 인터커넥션 보드(260)는, 상기 외부 센싱 라인과 연결되며, 상기 상기 배터리 팩(1)의 일단부에 구비될 수 있다. 상기 인터커넥션 보드(260)의 구비 위치는, 설계 등에 따라 변경될 수 있으며, 상기 외부 센싱 라인과 연결을 가능하게 할 수 있는 기타 다른 위치에 구비될 수도 있다. 아울러, 상기 인터커넥션 보드(260)는, 상기 배터리 팩(1)의 배터리 셀들(100)의 개수나 용량 등에 따라 복수 개로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
이러한 상기 인터커넥션 보드(260)는 상기 외부 센싱 라인과의 연결을 위해, 상기 배터리 팩(1) 외부에 노출되게 구비될 수 있다. 상기 외부 센싱 라인은 상기 인터커넥션 보드(260)와 배터리 관리 시스템(미도시)을 연결할 수 있다. 배터리 관리 시스템은 병렬 연결된 배터리 셀들의 전압을 기초로 병렬 연결된 배터리 셀들의 충전 상태를 결정할 수 있다.
상기 인터커넥션 보드(260)에는, 상기 배터리 셀들(100)의 온도 상태를 확인하기 위한 써미스터가 구비될 수 있다. 이러한 상기 써미스터는 상기 인터커넥션 보드(260)에 내장되거나 또는 상기 인터커넥션 보드(260) 외부에 별도에 장착될 수 있다.
상기 커넥터 터미널(290)은, 한 쌍으로 구비될 수 있다. 이러한 상기 한 쌍의 커넥터 터미널(290)은, 외부 충방전 라인과의 연결을 위한 것으로서, 고전압 커넥터 터미널로 구비될 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 상기 쿨링 유닛(300)에 대해 보다 구체적으로 살펴 본다.
도 12은 도 2의 배터리 팩의 쿨링 유닛을 설명하기 위한 도면이며, 도 13은 도 12의 쿨링 유닛의 단면도이다.
도 12 및 도 13 앞선 도 2를 참조하면, 상기 쿨링 유닛(300)은, 복수 개로 구비될 수 있다.
이러한 상기 복수 개의 쿨링 유닛(300)은, 각각, 냉각 튜브(310), 냉각 유로(350) 및 냉각 유체 유출입부(370)를 포함할 수 있다.
상기 냉각 튜브(310)는, 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 길이로 형성되고, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이에 배치되며, 내부에 후술하는 냉각 유체 순환을 위한 냉각 유로(350)가 마련될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 냉각 유체는, 물로 마련될 수 있으며, 물 뿐만 아니라 주변 환경과 열을 교환할 수 있는 하나 이상의 유체를 포함할 수 있다.
상기 냉각 튜브(310)는, 상기 배터리 팩(1)의 폭 방향(X축 방향)에서, 마주 하는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 외면에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
이러한 상기 냉각 튜브(310)는, 상기 배터리 팩(1)의 폭 방향(X축 방향)으로 볼록하고 오목하게 형성되는 복수 개의 볼록부(312)와 오목부(316)가 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 교대로 배치되게 형성될 수 있다.
상기 냉각 튜브(310)는, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 보다 더 높일 수 있게 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 외면에 접촉되게 배치될 수 있다. 이러한 상기 냉각 튜브(310)는, 후술하는 충진부재(500) 또는 별도의 접착부재 등을 통해 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)에 접착 고정될 수 있다.
상기 냉각 유로(350)는, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각을 위한 냉각 유체를 순환시키며, 상기 냉각 튜브(310) 내에 구비되며, 후술하는 냉각 유체 유출입부(370)와 연통되게 연결될 수 있다.
이러한 상기 냉각 유로(350)는, 어퍼 유로(352), 로어 유로(354) 및 연결 유로(356)를 포함할 수 있다.
상기 어퍼 유로(352)는, 상기 버스바 어셈블리(200) 가까이에 구비되게끔 상기 냉각 튜브(310)의 상측에 배치되며, 상기 냉각 튜브(310)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 길이로 형성될 수 있다. 이러한 상기 어퍼 유로(352)는, 상기 냉각 유체 유출입부(370)의 상기 냉각 유체 공급 포트(374)와 연통되게 연결될 수 있다.
상기 어퍼 유로(352)는, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 냉각 성능 확보를 위해 상기 어퍼 유로(352)가 복수 개로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 로어 유로(354)는, 상기 적어도 하나의 어퍼 유로(352)와 이격되게 상기 냉각 튜브(310)의 하측(-Z축 방향)에 배치되며, 상기 냉각 튜브(310)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 길이로 형성될 수 있다. 이러한 상기 로어 유로(354)는, 상기 냉각 유체 유출입부(370)의 상기 냉각 유체 배출 포트(376)와 연통되게 연결될 수 있다.
상기 로어 유로(354)는, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 냉각 성능 확보를 위해 상기 로어 유로(354)가 복수 개로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 연결 유로(356)는, 상기 적어도 하나의 어퍼 유로, 본 실시예의 경우, 복수 개의 어퍼 유로들(352)과 상기 적어도 하나의 로어 유로, 본 실시예의 경우, 복수 개의 로어 유로들(354)을 연결할 수 있다.
상기 연결 유로(356)는, 상기 냉각 유로(350)를 최대한 확보할 수 있게 상기 냉각 유체 유출입부(370)의 반대편인 상기 냉각 튜브(310)의 타단부(+Y축 방향)에 구비될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 냉각 유로(350)의 냉각 유체 순환 시, 상기 냉각 유체 공급 포트(374)로부터 공급된 냉각 유체가 상기 버스바 어셈블리(200) 가까이에 배치되는 상기 어퍼 유로(352)로 우선적으로 공급된 후 상기 연결 유로(356), 상기 로어 유로(354)를 거쳐 상기 냉각 유체 배출 포트(376) 측으로 유동할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 배터리 팩(1) 내에서 상대적으로 더 높은 온도 분포를 갖는 상기 버스바 어셈블리(200) 근처 영역에 차가운 냉각 유체가 우선적으로 공급되기에, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 성능이 현저히 향상될 수 있다.
상기 냉각 유체 유출입부(370)는, 상기 냉각 튜브(310)의 상기 냉각 유로(350)와 연통되게 상기 냉각 튜브(310)와 연결될 수 있다. 이러한 상기 냉각 유체 유출입부(370)는, 외부에 노출되어 외부 냉각 라인과 연통되게 연결될 수 있다.
상기 냉각 유체 유출입부(370)는, 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)에 따른 측면 일측(-Y축 방향)에 구비될 수 있다. 상기 냉각 유체 유출입부(370)와 연결되는 상기 냉각 튜브(310)는, 상기 냉각 유체 유출입부(370)로부터 상기 배터리 팩(1)의 길이 방향(Y축 방향)에서 상기 배터리 팩(1)의 측면 타측(+Y축 방향)을 향해 소정 길이로 형성될 수 있다.
상기 냉각 유체 유출입부(370)는, 유출입부 바디(372), 냉각 유체 공급 포트(374) 및 냉각 유체 배출 포트(376)를 포함할 수 있다.
상기 유출입부 바디(372)는, 상기 냉각 튜브(310)의 일단부(-Y축 방향)와 연결될 수 있다.
상기 냉각 유체 공급 포트(374)는, 상기 유출입부 바디(372)에 구비되며, 상기 어퍼 유로(352)와 연통되게 연결될 수 있다. 여기서, 상기 냉각 유체 공급 포트(374)는, 상기 유출입부 바디(372)에 코킹(cauking) 결합될 수 있다. 이러한 상기 냉각 유체 공급 포트(374)는 상기 외부 냉각 라인과 연통되게 연결될 수 있다.
상기 냉각 유체 배출 포트(376)는, 상기 유출입부 바디(372)에 구비되며, 상기 로어 유로(374)와 연통되게 연결될 수 있다. 여기서, 상기 냉각 유체 배출 포트(376)는, 상기 유출입부 바디(372)에 코킹 결합될 수 있다. 이러한 상기 냉각 유체 배출 포트(376)는, 상기 냉각 유체 공급 포트(374)와 소정 거리 이격 배치되며, 상기 외부 냉각 라인과 연통되게 연결될 수 있다.
도 14 내지 도 17은 도 12의 쿨링 유닛의 고정 홀더들을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 쿨링 유닛(300)은, 고정 홀더(380)를 포함할 수 있다.
상기 고정 홀더(380)는, 상기 버스바 어셈블리(200)를 고정하여 지지하기 위한 것으로서, 상기 냉각 튜브(310)에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리(200)에 연결될 수 있다.
상기 고정 홀더(380)는, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 상기 고정 홀더(380)는, 상기 복수 개의 쿨링 유닛(300) 중 적어도 하나의 냉각 튜브(310)에 구비되거나 또는 복수 개의 냉각 튜브(310)에 구비될 수 있다.
이러한 상기 고정 홀더(380)는, 제1 고정 홀더(380)를 포함할 수 있다.
상기 제1 고정 홀더(380)는, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 상기 제1 고정 홀더(380)는, 상기 냉각 튜브(310)의 길이 방향(Y축 방향)에서, 하나의 배터리 셀(100)의 측면 길이 내지 두 개의 배터리 셀들(100)의 측면 길이 사이 범위의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
이는 상기 제1 고정 홀더(380)가 차지하는 부피를 최소화하면서 상기 버스바 어셈블리(200)를 고정함과 아울러 제조 원가를 줄여 가격 경쟁력을 확보하기 위함이다.
상기 제1 고정 홀더(380)는, 상기 냉각 튜브(310)의 상측에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리(200)에 끼워질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 고정 홀더(380)는, 상기 냉각 튜브(310)의 상기 냉각 유체 유출입부(370) 가까이에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리(200)의 상기 연결 버스바 유닛(230)에 끼워질 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 고정 홀더(380)에는, 상기 연결 버스바 유닛(230)에 끼워지는 끼움 돌기(285)가 구비될 수 있다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 상기 쿨링 유닛(300)은, 고정 홀더(390)를 포함할 수 있다.
상기 고정 홀더(390)는, 앞선 상기 제1 고정 홀더(380)와 함께 구비되거나 또는 상기 제1 고정 홀더(380) 대신에 마련될 수 있다.
이러한 상기 고정 홀더(390)는, 제2 고정 홀더(390)를 포함할 수 있다.
상기 제2 고정 홀더(390)는, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 상기 제2 고정 홀더(390)는, 상기 냉각 튜브(310)의 길이 방향(Y축 방향)을 따라 소정 길이로 형성되며, 상기 버스바 어셈블리(200)의 저부에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 고정 홀더(390)의 상기 냉각 튜브(310)의 길이에 대응되는 길이를 가지며, 상기 냉각 튜브(310)의 상측에서 상기 버스바 어셈블리(200)의 저부를 지지할 수 있다.
상기 제2 고정 홀더(390)는, 상기 냉각 튜브(310)에 대응하는 소정 길이를 갖는 바, 상기 냉각 튜브(310) 상측에서, 상기 버스바 어셈블리(200)의 저부, 구체적으로, 상기 연결 버스바 유닛(230)의 저부를 보다 더 안정적으로 지지할 수 있다.
이처럼, 본 실시예에서는, 상기 제1 고정 홀더(380), 또는, 상기 제2 고정 홀더(390), 또는, 상기 제1 고정 홀더(380)와 상기 제2 고정 홀더(390)를 모두 포함하는 상기 고정 홀더 구조를 통해, 상기 쿨링 유닛(300) 상측에 배치되는 상기 버스바 어셈블리(200)의 상기 연결 버스바 유닛(230)을 보다 더 안정적으로 고정 지지할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 배터리 팩(1)은, 사이드 스트럭처 유닛(400)을 포함할 수 있다.
상기 사이드 스트럭처 유닛(400)은, 한 쌍으로 구비될 수 있다.
상기 한 쌍의 사이드 스트럭처 유닛(400)은, 상기 폭 방향(X축 방향)에서 상기 배터리 셀들(100)의 양측을 커버할 수 있다.
이러한 상기 한 쌍의 사이드 스트럭처 유닛(400)은, 플라스틱 레진 재질로 구비되고, 상기 배터리 셀들(100)을 지지하며, 상기 배터리 셀들(100)의 강성을 확보함과 아울러 상기 폭 방향(X축 방향)에서, 상기 배터리 팩(1)의 측면 외관을 형성할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 사이드 스트럭처 유닛(400)에는, 각각, 상기 커넥터 터미널(290)이 수용될 수 있다.
상기 배터리 팩(1)은, 충진부재(500)를 포함할 수 있다.
상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 팩(1)의 높이 방향(Z축 방향)에서, 상기 쿨링 유닛(300)과 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이 공간에 채워질 수 있다. 한편, 도 2에서, 상기 충진부재(500)가 육면체 형상의 점선으로 표시된 것은 이해의 편의를 위한 것으로서, 상기 충진부재(500)는, 상기 쿨링 유닛(300)과 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 사이 공간에 모두 채워질 수 있다.
이러한 상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 팩(1, 도 2 참조)의 상측 및 하측을 커버하여 상기 사이드 스트럭처 유닛(400)과 함께 상기 배터리 팩(1)의 팩 케이스 구조를 형성할 수 있다.
또한, 상기 충진부재(500)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 보다 더 안정적으로 고정함과 아울러 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 열분산 효율을 높여 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 성능을 보다 더 높일 수 있다.
상기 충진부재(500)는, 포팅 레진으로 구비될 수 있다. 상기 포팅 레진은, 묽은 상태의 레진 물질을 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 측으로 주입하여 경화됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 레진 물질의 주입은, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)의 열 손상을 방지하기 위한 대략 섭씨 15도 내지 25도 정도의 상온 상태에서 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 충진부재(500)은, 실리콘 레진으로 구비될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 충진부재(500)은, 상기 실리콘 레진 이외에도 상기 배터리 셀들(100)의 고정 및 열분산 효율을 향상시킬 수 있는 기타 다른 레진 물질로 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
더 구체적으로, 상기 충진부재(500)는 상기 배터리 셀들(100)의 상기 냉각 튜브(310)과 접촉되지 않는 부분을 커버함에 따라, 상기 배터리 셀들(100)의 열 평형을 가이드 하여, 상기 배터리 셀들(100)의 냉각 편차를 막아 상기 배터리 셀들(100)의 국부적인 퇴화를 막을 수 있다. 또한, 배터리 셀들(100)의 국부적인 퇴화 방지를 통해 상기 배터리 셀들(100)의 안전성 또한 현저히 향상될 수 있다.
또한, 상기 충진부재(500)는 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 적어도 하나의 특정 배터리 셀(100)에서 이상 상황에 따른 파손 등의 발생 시, 인접한 배터리 셀들(100) 측으로의 통전을 막는 절연 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 충진부재(500)는, 높은 비열 성능을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 충진부재(500)는 열용량(Thermal mass)을 증가시켜 상기 배터리 셀들(100)의 급속 충방전 등과 같은 상황에서도 상기 배터리 셀들(100)의 온도 상승을 지연하여 상기 배터리 셀들(100)의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있다.
또한, 상기 충진부재(500)는 글라스 버블(Glass bubble)을 포함할 수 있다. 상기 글라스 버블은 상기 충진부재(500)의 비중을 낮춰 무게에 대한 에너지 밀도를 높일 수 있다.
또한, 상기 충진부재(500)는 높은 내열 성능을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 충진부재(500)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 적어도 하나의 특정 배터리 셀(100)에서 과열 등에 따른 열적 이벤트 발생 시, 인접한 배터리 셀들 측으로의 열 폭주를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 충진부재(500)는 높은 난연 성능을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 충진부재(500)는, 상기 복수 개의 배터리 셀들(100) 중 적어도 하나의 특정 배터리 셀(100)에서 과열 등에 따른 열적 이벤트 발생 시, 화재 발생 위험을 최소화할 수 있다.
상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 셀들(100) 이외에도 상기 버스바 어셈블리(200)에도 채워질 수 있다. 구체적으로, 상기 충진부재(500)은, 상기 버스바 어셈블리(200)의 상측을 덮을 수 있게 상기 버스바 어셈블리(200)에 채워질 수 있다.
여기서, 상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 셀들(100)의 상하 방향(Z축 방향)에서, 상기 버스바 어셈블리(200)와 상기 배터리 셀들(100) 사이에 단절 공간이나 이격 공간 없이 상기 버스바 어셈블리(200)와 상기 배터리 셀들(100) 사이에 연속적으로 채워질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 셀들(100)과 상기 버스바 어셈블리(200)에 단절 없이 연속적으로 채워지므로, 상기 배터리 셀들(100)과 상기 버스바 어셈블리(200) 사이 영역에서 열분산 편차 발생 없이 고른 열분산을 구현하여, 상기 배터리 팩(1)의 냉각 성능을 현저히 높일 수 있다.
아울러, 상기 충진부재(500)는, 상기 사이드 스트럭처 유닛(400)의 측면 외측을 제외한 부분에도 채워질 수 있다. 여기서, 상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 셀들(100)과 상기 버스바 어셈블리(200) 및 상기 쿨링 유닛(300)에 단절 없이 연속적으로 채워질 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리 팩(1)의 냉각 성능이 보다 더 향상될 수 있다.
이하에서는, 이러한 상기 충진부재(500)의 주입을 통한 팩 케이스 구조 형성에 대해 보다 더 구체적으로 살펴 본다.
도 18은 도 1의 배터리 팩의 충진부재 주입을 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 상기 제조자 등은, 레진 주입 장치(I)를 통해 상기 실리콘 레진으로 구비되는 충진부재(500)를 주입 및 도포하여 상기 레진 물질로 구비되는 상기 충진부재(500)를 통해, 상기 배터리 팩(1, 도 2 참조)의 상측 및 하측 부분의 팩 케이스 구조를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 충진부재(500)는, 상기 배터리 팩(1)의 상측(+Z축 방향)에서 상기 버스바 어셈블리(200)의 상측을 커버하며, 상기 배터리 팩(1)의 하측(-Z축 방향)에서 상기 배터리 셀들(100)의 저부를 커버할 때까지 채워질 수 있다.
상기 레진 주입 장치(I)을 통한 상기 충진부재(500)의 주입 및 도포 공정 시, 사이드 스트러처 유닛(400)의 저부 및 사이드 스트럭처 유닛(400) 사이의 적어도 일측면에는, 상기 충진부재(500) 주입 시 하측(-Z축 방향) 및 측면(Y축 방향)으로의 레진 유출을 방지할 수 있게 주입 가이더(S)가 구비될 수 있다. 상기 주입 가이더(S)는, 상기 충진부재(500)의 경화 이후 용이한 탈착을 위해 테프론 재질 등으로 구비될 수 있다.
상기 충진부재(500)의 주입 및 도포 공정 시, 상기 사이드 스트럭처 유닛(400)은, 상기 주입 가이더(S)와 함께 상기 배터리 셀들(100) 및 상기 쿨링 유닛(300)을 지지하면서 상기 레진 유출을 방지하는 거푸집 역할을 수행할 수 있다.
아울러, 상기 쿨링 유닛(300)의 상기 고정 홀더(380, 390)는, 상기 버스바 어셈블리(200)를 지지함과 아울러 상기 버스바 어셈블리(200)의 연결 버스바 유닛(230)의 정위치 배치를 가이드하므로, 상기 충진부재(500) 주입 시 야기될 수 있는 상기 연결 버스바 유닛(230)의 틀어짐이나 위치 어긋남 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 사이드 스트럭처 유닛(400) 및 상기 충진부재(500)를 통해, 상기 배터리 팩(1, 도 1 참조)의 팩 케이스 구조를 형성하는 바, 종래와 같이 복수 개의 플레이트들의 복잡한 조립체로서 팩 케이스 구조를 형성할 때보다, 상기 배터리 팩(1)의 조립 공정을 간편화할 수 있으며, 제조 비용을 현저히 낮춰 원가 경쟁력 또한 확보할 수 있다.
아울러, 본 실시예에서는, 상기 사이드 스트럭처 유닛(400) 및 상기 충진부재(500)로 마련되는 팩 케이스 구조를 통해, 종래 복수 개의 플레이트들의 조립체로 구성되는 셀 프레임 구조로 마련되는 팩 케이스 구조와 대비하여, 전체 배터리 팩(1)의 사이즈를 줄일 수 있어 에너지 밀도 또한 현저히 높일 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 자동차(V)는, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 구비될 수 있으며, 에너지원으로서, 앞선 실시예의 적어도 하나의 배터리 팩(1)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 경우, 전술한 상기 배터리 팩(1)이 향상된 냉각 성능 및 높은 에너지 밀도를 갖는 컴팩트한 구조로 구비되는 바, 상기 자동차(V)에 장착 시, 높은 냉각 성능을 가지면서 복수 개의 배터리 팩(1)들의 모듈화 구조 구현이 용이하며, 상기 자동차(V)의 다양한 내부 공간 형상에서도 상대적으로 높은 장착 자유도를 확보할 수 있다. 즉, 본 실시예에서, 상기 적어도 하나의 배터리 팩(1)은, 높은 냉각 성능을 가지면서 모듈화 구조 구현이 용이하며 높은 장착 자유도를 갖는 배터리 팩 케이스 구조체로 마련될 수 있다.
또한, 상기 자동차의 전방이나 후방 충돌 시 상기 한 쌍의 사이드 스트럭처 유닛(400)이 상기 복수 개의 배터리 셀들(100)을 보호할 수 있게, 상기 적어도 하나의 배터리 팩(1)의 길이 방향은 상기 자동차의 길이 방향에 수직으로 배열될 수 있다.
이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 배터리 팩(1) 및 이를 포함하는 자동차(V)를 제공할 수 있다.
또한, 이상과 같은 다양한 실시예들에 따라, 에너지 밀도를 높이며, 제조 효율을 향상시킬 수 있는 배터리 팩(1) 및 이를 포함하는 자동차(V)를 제공할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
V: 자동차
1: 배터리 팩
100: 배터리 셀
200: 버스바 어셈블리
300: 쿨링 유닛
400: 사이드 스트럭처 유닛
500: 충진부재

Claims (15)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    복수 개의 배터리 셀들;
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 일측에 구비되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 버스바 어셈블리; 및
    상기 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되며, 상기 버스바 어셈블리를 고정하는 쿨링 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 유닛은,
    상기 배터리 팩의 폭 방향에서, 상기 복수 개의 배터리 셀들 중 최외곽 양측에 배치되는 배터리 셀들을 제외한 나머지 배터리 셀들의 양측면 모두에 접촉되게 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 유닛은,
    상기 배터리 팩의 길이 방향을 따라 소정 길이로 형성되고, 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이에 배치되는 냉각 튜브;
    상기 냉각 튜브 내에 구비되며, 상기 배터리 셀들의 냉각을 위한 냉각 유체를 순환시키도록 구성된 냉각 유로; 및
    상기 냉각 유로와 연통되게 상기 냉각 튜브와 연결되는 냉각 유체 유출입부를 포함하며,
    상기 버스바 어셈블리는,
    상기 냉각 튜브와 연결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 쿨링 유닛은,
    상기 냉각 튜브에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리에 연결되는 고정 홀더를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정 홀더는,
    상기 냉각 튜브의 상측에 구비되며, 상기 버스바 어셈블리에 끼워지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고정 홀더는,
    상기 냉각 튜브의 길이 방향을 따라 소정 길이로 형성되며, 상기 버스바 어셈블리의 저부에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 버스바 어셈블리는,
    상기 복수 개의 배터리 셀들의 상측을 커버하는 버스바 커버; 및
    상기 버스바 커버에 삽입되며, 상기 복수 개의 배터리 셀들의 양극 및 음극과의 전기적 연결을 위한 상기 단일층의 서브 버스바를 포함하며,
    상기 버스바 커버는,
    상기 냉각 튜브에 연결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 서브 버스바는,
    상기 버스바 커버에 삽입되며, 상기 배터리 팩의 폭 방향을 따라 소정 길이로 형성되는 버스바 브릿지;
    상기 버스바 브릿지로부터 일체로 연장되어 돌출되는 양극 연결부; 및
    상기 버스바 브릿지로부터 일체로 연장되어 상기 양극 연결부의 반대 방향으로 돌출되는 음극 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버스바 커버는,
    상기 버스바 브릿지를 커버하는 메인 커버; 및
    상기 메인 커버와 연결되며, 상기 배터리 팩의 길이 방향을 따라 소정 길이로 형성되어 상기 메인 커버를 지지하는 센터 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 버스바 커버는,
    절연 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 버스바 커버는,
    폴리 이미드 필름으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 쿨링 유닛과 상기 복수 개의 배터리 셀들 사이 공간에 채워지는 충진부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 충진부재는,
    포팅 레진으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충진부재는,
    실리콘 레진으로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제1항에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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