KR102270234B1 - 크로스 빔을 내장한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

크로스 빔을 내장한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 및 배터리 팩을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 상호 대면하며 소정 간격 상하로 이격 배치된 탑 및 바틈 플레이트, 상기 탑 및 바틈 플레이트 사이 공간을 수직으로 구획하는 적어도 하나의 격벽을 구비한 모듈 프레임; 상기 적어도 하나의 격벽을 사이에 두고 상기 모듈 프레임 내에 행열 배치되는 둘 이상의 배터리 서브 모듈; 및 상기 모듈 프레임의 양쪽 측면부를 커버하는 좌/우측 사이드 플레이트와, 상기 모듈 프레임의 전,후면부을 커버하는 전/후면 커버를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈들과, 상기 배터리 모듈들의 길이에 대응하는 폭으로 형성된 판면을 갖는 팩 트레이를 포함하며, 상기 배터리 모듈들이 상기 팩 트레이에 형성되는 좌/우측 벽면을 지지하도록 상기 팩 트레이의 판면에 가로 방향으로 배치될 수 있다.

Description

크로스 빔을 내장한 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery module embedding cross beam and Battery pack comprising the battery module}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종래 배터리 팩 트레이의 크로스 빔 기능을 할 수 있는 배터리 모듈 및 이러한 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리, 충·방전이 가능한 전지를 말하는 것으로서, 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 자동차(HEV)의 동력원으로 사용되고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.2V이다. 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.
예컨대, 복수 개의 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 복수 개의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 복수 개의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩을 구성하는 방법이 일반적이다. 즉, 배터리 모듈은 다수의 이차 전지가 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미하고, 배터리 팩은 용량 및 출력 등을 높이기 위해 다수의 배터리 모듈이 직렬 내지 병렬로 연결된 구성요소를 의미한다고 할 수 있다.
한편, 전기 자동차에 적용되는 배터리 팩은 충격과 진동이 계속적으로 가해지는 환경에 놓이기 때문에 외부 충격과 진동에 대한 내구성이 요구된다.
그 일환으로 최근 크로스 빔(cross beam)을 사용하여 팩 트레이의 강성을 보강하고 있다. 상기 크로스 빔은 팩 트레이를 가로지르도록 설치된 빔 형태의 구조물로서, 팩 트레이의 측면부를 지지하여 외부 충격 또는 진동시 팩 트레이가 뒤틀리거나 구부러지는 등의 변형을 막아주는 역할을 한다.
그런데 크로스 빔을 팩 트레이에 설치하게 되면 배터리 팩의 내구성은 향상되지만, 배터리 모듈들을 탑재할 수 있는 공간이 그만큼 줄어들게 되는 단점이 있다. 전기 자동차는 그 특성상 대용량의 배터리 팩이 한정된 공간에 설치되기 때문에 배터리 팩의 구조적 안정성 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도도 요구된다. 이러한 관점에서 보면, 종래 기술에 따른 배터리 팩의 크로스 빔은 팩 트레이의 기계적 강성을 보강하기 위한 좋은 수단이지만, 공간 활용도 측면에서는 마이너스 요인이다. 따라서 배터리 팩의 구조적 안정성과 고에너지 밀도 조건을 모두 충족시킬 수 있는 새로운 형태의 배터리 모듈 및 배터리 팩에 대한 연구가 이슈화되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0107823호 (2013.10.02) 현대자동차주식회사
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 종래 배터리 팩 트레이에서 크로스 빔을 없애고 상기 크로스 빔 기능을 내장한 배터리 모듈을 이용하여 구조적 안정성과 에너지 밀도가 향상된 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 상호 대면하며 소정 간격 상하로 이격 배치된 탑 및 바틈 플레이트, 상기 탑 및 바틈 플레이트 사이 공간을 수직으로 구획하는 적어도 하나의 격벽을 구비한 모듈 프레임; 상기 적어도 하나의 격벽을 사이에 두고 상기 모듈 프레임 내에 행열 배치되는 둘 이상의 배터리 서브 모듈; 및 상기 모듈 프레임의 양쪽 측면부를 커버하는 좌/우측 사이드 플레이트와, 상기 모듈 프레임의 전,후면부을 커버하는 전/후면 커버를 포함하는 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 일측은 상기 적어도 하나의 격벽에 결합하고 타측은 상기 전/후면 커버를 관통하여 외부로 노출되는 모듈/트레이 연결부재를 더 포함할 수 있다.
상기 모듈/트레이 연결부재는 소정의 두께를 갖는 몸체와, 상기 몸체에 다단으로 돌출된 복수의 제1 연결로드와 상기 몸체에 상기 제1 연결로드의 반대방향으로 돌출된 제2 연결로드을 구비하고, 상기 복수의 제1 연결로드는 상기 격벽의 전/후단부에 탭 가공된 수용홀들에 끼워맞춤되고, 상기 제2 연결로드는 상기 전/후면 커버를 관통하여 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상기 모듈/트레이 연결부재는, 상기 몸체에서 상하 방향으로 연장된 플랜지부를 더 구비하고, 상기 플랜지부가 상기 격벽에 나사 결합될 수 있다.
상기 탑 및 바틈 플레이트는 모서리 영역에 상하 방향으로 관통 형성된 체결홀들을 구비하고, 상기 좌/우측 사이드 플레이트는 표면에서 돌출 형성되는 돌출부를 구비하고, 상기 돌출부에 상기 체결홀들과 상하 방향으로 나사 결합되는 체결홈이 마련될 수 있다.
상기 배터리 서브 모듈 각각은, 상호 적층된 배터리 셀들로 구성된 셀 적층체와, 상기 셀 적층체의 전,후면과 일 측면을 감싸는 3면으로 형성된 엔드 플레이트를 구비하고, 타 측면은 상기 모듈 프레임의 격벽에 대향하게 배치될 수 있다.
상기 모듈 프레임 내에서 상기 둘 이상의 배터리 서브 모듈의 열과 열 사이에 개재되어 상기 격벽과 함께 배터리 서브 모듈들을 구획화시키는 파티션 블럭을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 모듈/트레이 연결부재는, 내부에 배관의 역할을 하는 통로가 형성되며, 상기 수용홀들은 상기 격벽의 전단부에서 후단부까지 이어지는 유로를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 모듈들; 및 상기 배터리 모듈들의 길이에 대응하는 폭으로 형성된 판면을 갖는 팩 트레이를 포함하며, 상기 배터리 모듈들이 상기 팩 트레이에 형성되는 좌/우측 벽면을 지지하도록 상기 팩 트레이의 판면에 가로 방향으로 배치된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 배터리 모듈들은 일단부가 상기 격벽을 상하 방향으로 통과하여 상기 팩 트레이의 판면에 체결되는 숄더 볼트에 의해 상기 팩 트레이에 고정될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈들, 각각은 일측은 상기 격벽에 결합하고 타측은 상기 전/후면 커버를 관통하여 외부로 노출되는 모듈/트레이 연결부재를 더 포함하며, 상기 모듈/트레이 연결부재의 타측은 상기 팩 트레이의 좌/우측 벽면에 형성되는 통공에 삽입될 수 있다.
상기 모듈/트레이 연결부재는 내부에 배관 역할을 하는 통로가 구비되며, 상기 격벽에는 상기 모듈/트레이 연결부재의 일측과 연결되는 유로가 형성되고, 상기 팩 트레이의 좌/우측 벽면의 통공 외측에서 상기 모듈/트레이 연결부재의 타측에 연결되는 냉매 공급/배출용 호스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 팩 트레이의 크로스 빔 기능과 다수의 배터리 서브 모듈의 하우징 기능을 겸할 수 있는 단위 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명에 따른 단위 배터리 모듈이 팩 트레이 상에 가로 방향으로 결합되어 구조적 안정성과 에너지 밀도가 증가된 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 배터리 서브 모듈의 사시도이다.
도 4는 도 2의 모듈 프레임의 사시도이다.
도 5는 도 2의 모듈/트레이 연결부재의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 7은 도 6의 I-I'에 따른 단면도이다.
도 8은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도이다.
도 9는 도 8의 주요 부분 확대도이다.
도 10은 도 8에 대응되는 도면으로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
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.
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 해석되어야만 한다.
먼저, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)을 구성하는 배터리 모듈(100)들에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)은, 둘 이상의 배터리 서브 모듈(110), 모듈 프레임(120), 좌/우측 사이드 플레이트(130,140) 및 전/후면 커버(150,160)를 포함할 수 있다.
배터리 서브 모듈(110)들은 셀 적층체(111)와, 엔드 플레이트(113)를 포함할 수 있다.
셀 적층체(111)는 일 방향 적층된 배터리 셀들의 집합체일 수 있다. 여기서 상기 배터리 셀은 파우치형 이차전지로 이루어질 수 있다. 파우치형 이차전지는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 형태의 전지 케이스, 일측이 전극 조립체에 연결되고 타측은 전지 케이스 외부로 연장되는 전극 리드를 포함할 수 있다.
상기 파우치형 이차전지들은 예컨대 구리 막대 형태로 형성된 버스바(114)에 전극 리드들이 초음파 용접되어 서로 전기적으로 직/병렬 연결될 수 있다.
셀 적층체(111)의 전면 및/또는 후면에는 상기 직/병렬 연결된 전극 리드 중 어느 하나와 전기적으로 연결되는 전극 터미널(115)이 마련될 수 있으며, 상기 전극 터미널(115)은 후술할 전/후면 커버(150,160)를 통해 외부로 노출되거나, 다른 배터리 서브 모듈(110)의 전극 터미널(115)과 연결될 수 있다.
참고로, 도시하지 않았으나, 파우치형 이차전지의 적층 수단으로서, 적층용 프레임이 사용될 수도 있다. 적층용 프레임은 파우치형 이차전지를 홀딩함으로써 그 유동을 방지시키고, 상호 간 적층 가능하도록 구성되어 이차전지의 조립을 가이드하는 역할을 한다. 이러한 적층용 프레임은 셀 커버 또는 카트리지(cartridge) 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있다.
엔드 플레이트(113)는 셀 적층체(111)를 보호하고, 파우치형 배터리 셀들의 적층을 가이드하기 위한 구성으로 판형 구조물 형태로 마련될 수 있다. 종래의 기술에 따른 엔드 플레이트(113)는 셀 적층체(111)의 4면 이상을 감싸는 각 관 내지 박스 형태의 구조물로 제작되는 경우가 많은데, 본 발명의 엔드 플레이트(113)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 셀 적층체(111)의 전,후면과 일 측면을 감싸는 3면(113a,113b,113c)으로 구성될 수 있다.
예컨대, 파우치형 이차전지로 구성된 셀 적층체(111)는 대략 직육면형을 이루는데, 본 발명의 경우, 셀 적층체(111)는 3면이 엔드 플레이트(113)에 의해 커버링되고, 나머지 3면은 모듈 프레임(120)에 의해 커버링될 수 있다. 즉, 배터리 서브 모듈(110)에서 엔드 플레이트(113)에 의해 커버링되지 않는 셀 적층체(111)의 상면과 하면은 모듈 프레임(120)의 탑 및 바틈 플레이트(121,122)에 의해 커버링될 수 있으며, 나머지 일 측면은 격벽(123)에 의해 커버링될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 배터리 서브 모듈(110)들의 셀 적층체(111)들이 각각 3면 엔드 플레이트(113)와 모듈 프레임(120)에 의해 일체로 커버링되기 때문에, 모듈 프레임(120) 내부에 배터리 서브 모듈(110)들이 컴팩트하게 배치될 수 있으며, 부품비가 절감될 수 있다.
모듈 프레임(120)은 배터리 모듈(100)의 외관을 형성하는 하우징의 주요 구조물이면서, 추후 배터리 모듈(100)이 배터리 팩(10)의 팩 트레이(200)에 탑재되면, 종래 크로스 빔과 같은 기능을 하여 팩 트레이(200)의 변형을 방지하는 역할을 겸한다.
모듈 프레임(120)은 상호 대면하며, 소정 간격 상하로 이격 배치된 탑 및 바틈 플레이트(121,122), 상기 탑 플레이트(121)의 하면과 상기 바틈 플레이트의 상면에 상단과 하단이 수직으로 연결되는 적어도 하나의 격벽(123)을 포함할 수 있다. 상기 모듈 프레임(120)을 구성하는 탑 및 바틈 플레이트(121,122), 및 격벽(123)은 개념적으로 구분되는 요소로서, 이들은 일체로 성형될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 모듈 프레임(120)은, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 탑 및 바틈 플레이트(121,122) 사이에 하나의 격벽(123)이 수직으로 연결되어 있는 H빔 형태로 구현될 수 있다. 이러한 모듈 프레임(120) 내에 상기 격벽(123)을 기준으로 좌,우측에 2개씩의 단위 배터리 서브 모듈(110)들이 행열로 배치될 수 있다.
예컨대, 본 실시예에서 탑 및 바틈 플레이트(121,122)는 적어도 단위 배터리 서브 모듈(110)의 폭×2에 대응하는 좌우 폭과, 적어도 단위 배터리 서브 모듈(110)의 길이×2에 대응하는 길이를 갖도록 마련되고, 격벽(123)은 상기 탑 및 바틈 플레이트(121,122) 사이 공간을 수직으로 양분한다. 단위 배터리 서브 모듈(110)들은 상기와 같은 모듈 프레임(120) 내에 양분된 공간에 2행2열로 배치된다. 이때, 1행에 배열되는 단위 배터리 서브 모듈(110)들은 우측면이 격벽(123)에 대향하게 배치되고 2행에 배열되는 단위 배터리 서브 모듈(110)들은 좌측면이 격벽(123)에 대향하게 배치된다. 여기서 격벽(123)에 대향하는 단위 배터리 서브 모듈(110)의 측면은, 전술한 바와 같이, 3면 엔드 플레이트(113)에 의해 커버링되어 있지 않은 측면을 의미한다.
한편, 본 실시예의 경우, 모듈 프레임(120)이 H 빔 형태로 구현되어 있으나, 예컨대, 탑 및 바틈 플레이트(121,122)의 좌우 폭을 적어도 단위 배터리 서브 모듈(110)의 폭×3으로 하고, 2개의 격벽(123)을 사용하여 상기 탑 및 바틈 플레이트(121,122) 사이 공간을 수직으로 3등분하는 형태로 모듈 프레임(120)을 구성할 수도 있다. 이 경우, 단위 배터리 서브 모듈(110)들은 3행2열로 상기 모듈 프레임(120)에 배치될 수 있다.
좌/우측 사이드 플레이트(130,140)는, 모듈 프레임(120)의 좌,우측면에 장착되어 상기 모듈 프레임(120)의 양쪽 측면부 및 상기 배터리 서브 모듈(110)들의 바깥 측면을 커버하는 판형 구조물이다. 상기 좌/우측 사이드 플레이트(130,140)는 상술한 모듈 프레임(120)과 조립되어 배터리 모듈(100)의 하우징 역할을 하는 구성으로 이해될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 탑 및 바틈 플레이트(121,122)는 모서리 영역에 상하 방향으로 관통 형성된 체결홀(H1)을 구비하며, 상기 좌/우측 사이드 플레이트(130,140)는 표면에서 돌출 형성되는 돌출부(132)를 구비하고, 상기 돌출부(132)에는 상기 체결홀(H1)에 상하 방향으로 일치하고 내측에 나사산이 구비된 체결홈(133,143)이 마련될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 좌/우측 사이드 플레이트(130,140)를 각각 수직으로 세워서 체결홈(133,143)이 체결홀(H1)에 상하로 일치하게 탑 플레이트(121)와 바틈 플레이트(122) 사이에 넣고 상기 체결홈(133,134)과 체결홀(H1)에 나사(S1)를 넣고 조여 좌/우측 사이드 플레이트(130,140)를 탑 및 바틈 플레이트(121,122)에 결합시킬 수 있다.
참고로, 모듈 프레임(120) 내에서 같은 행에 위치한 배터리 서브 모듈(110)들은 전후로 약간의 이격 공간을 두고 배치될 수 있다. 이를테면, 배터리 서브 모듈(110)들 간에도 전기적 연결이 필요하므로 이를 위해 같은 행에 위치한 배터리 서브 모듈은 상호 간 소정 간격 이격 배치될 수 있다. 따라서 좌/우측 사이드 플레이트(130,140)의 돌출부(132)는 같은 행에 위치한 배터리 서브 모듈(110)들 사이 공간에 개재될 수 있다.
또한, 상기 배터리 서브 모듈(110)들 사이의 이격 공간에는 파티션 블럭(180)이 더 개재될 수 있다. 다시 말하면, 같은 행에 위치한 둘 이상의 배터리 서브 모듈(110)의 열과 열 사이에 파티션 블럭(180)이 개재될 수 있으며, 이러한 파티션 블럭(180)은 격벽(123)과 함께 배터리 서브 모듈(110)들을 구획화시킨다. 파티션 블럭(180)에 의해 같은 행의 배터리 서브 모듈(110)들은 전후로 분리되고 유동이 저지될 수 있다. 또한, 파티션 블럭(180)은 배터리 서브 모듈(110)들 간에 전기적 연결을 위한 케이블이나 파워 연결용 버스바(미도시)가 통과할 수 있게 구성될 수 있다.
전/후면 커버(150,160)는 모듈 프레임(120)의 전,후면부에 장착되어 상기 모듈 프레임(120)의 전,후면부 및 상기 배터리 서브 모듈(110)들의 전,후면부를 커버하는 덮개 형태의 구조물이다. 전/후면 커버(150,160)는 좌/우측 사이드 플레이트(130,140)가 결합된 모듈 프레임(120)의 전면부와 후면부에 장착될 수 있다.
상기 전/후면 커버(150,160)는 배터리 서브 모듈(110)의 버스바(114)들이 외부로 노출되지 않게 하여 외부 단락 우려를 없애고, 다른 배터리 모듈(100)들과의 전기적 연결을 위한 전극 터미널(115)만 외부로 노출시킬 수 있게 마련된다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)은 일측은 상기 모듈 프레임(120)의 적어도 하나의 격벽(123)에 결합하고 타측은 상기 전/후면 커버(150,160)를 관통하여 외부로 노출되는 모듈/트레이 연결부재(170)를 더 포함할 수 있다.
모듈/트레이 연결부재(170)는 배터리 모듈(100)을 후술할 팩 트레이(200)에 고정시키기 위한 구성품으로, 더 구체적으로 말하면, 배터리 모듈(100)의 모듈 프레임(120)을 팩 트레이(200)의 벽면에 연결시키는 매개체이다.
도 1 내지 도 2 및 도 4 내지 도 5를 같이 참조하면, 모듈/트레이 연결부재(170)는 소정의 두께를 갖는 몸체(171)와, 상기 몸체(171)에서 상하 방향으로 연장된 플랜지부(171a), 상기 몸체(171)에 다단으로 돌출된 복수의 제1 연결로드(172)와 상기 몸체(171)에 상기 제1 연결로드(172)의 반대방향으로 돌출된 제2 연결로드(173)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 연결로드(172)는 상기 격벽(123)의 전/후단부에 탭 가공된 수용홀(123a)들에 끼워맞춤될 수 있고, 상기 플랜지부(171a)는 상기 격벽(123)의 전/후단부에 형성되어 있는 나사결합홈(H2)에 나사(S2) 결합될 수 있다. 그리고 제2 연결로드(173)는 상기 전/후면 커버(150,160)를 관통하여 외부로 노출되게 구성될 수 있다. 전/후면 커버 밖으로 노출된 제2 연결로드(173) 부분은 후술할 팩 트레이(200)에 배터리 모듈(100)을 고정하는데 사용될 수 있다.
이상과 같은 배터리 모듈(100) 구성에 의하면, 모듈 프레임(120)이 좌/우측 사이드 플레이트(130,140) 및 전/후면 커버(150,160)와 함께 배터리 모듈(100)의 하우징 역할을 수행하여 배터리 모듈(100)의 기계적 강성이 매우 높아져, 외부 충격으로부터 배터리 서브 모듈(110)들이 안전하게 보호될 수 있다.
또한, 이러한 배터리 모듈(100)들을 사용하여 배터리 팩(10)을 구성할 때, 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)이 모듈 프레임(120)에 의해 지지될 수 있어 외부 충격으로부터 배터리 팩(10)의 변형을 방지할 수도 있다.
이하에서는 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)들을 포함한 배터리 팩(10)에 대해 자세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도, 도 7은 도 6의 I-I'에 따른 단면도, 도 8은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 단면도, 그리고 도 9는 도 8의 주요 부분 확대도이다.
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 상술한 배터리 모듈(100)들과 팩 트레이(200)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 팩 트레이(200)는 상기 배터리 모듈(100)들의 길이에 대응하는 좌우 폭을 갖는 판면(210)과, 판면(210)의 테두리를 따라 소정 높이를 갖는 벽면으로 포함한다.
배터리 모듈(100)들은 이러한 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)을 지지하도록 팩 트레이(200)의 판면(210)에 가로 방향으로 배치된다. 이때, 팩 트레이(200)의 판면(210) 상에는 종래의 크로스 빔과 같은 구조물이 없기 때문에 배터리 모듈(100)들이 종래보다 더 밀집되게 배치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 모든 배터리 모듈(100)들이 갭(gap)이 없이 서로 맞닿게 배치될 수 있다.
예컨대, 본 실시예의 경우, 6개의 배터리 모듈(100)이 팩 트레이(200)의 세로 방향을 따라 탑재된다. 이 경우, 배터리 서브 모듈(110)은 총 24개가 탑재될 수 있다.
배터리 모듈(100)들은, 도 7에 도시한 바와 같이, 각각 격벽(123)을 내장하고 있다. 따라서 6개의 배터리 모듈(100)을 팩 트레이(200)에 탑재하였을 때, 총 6개의 격벽(123)들이 팩 트레이(200)에 세로 방향을 따라 등 간격으로 마련되는 것과 같아져 종래 팩 트레이(200)의 크로스 빔과 같은 기능을 수행한다. 즉, 상기 격벽(123)들은 배터리 팩(10)이 받게 되는 충격을 흡수하여 팩 트레이(200)의 구부러짐이나 뒤틀림과 같은 변형을 저지하는 역할을 하게 된다.
이어서, 도 6과 함께 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)과 팩 트레이(200) 간의 결합 구조에 대해 설명하기로 한다.
팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)에는 세로 방향을 따라 등 간격으로 복수 개의 통공(220a)들이 구비될 수 있다. 상기 통공(220a)들은 배터리 모듈(100)들을 팩 트레이(200)에 탑재하였을 때 제2 연결로드(173)에 대응하는 높이에 마련될 수 있다. 그리고 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)은 약간의 탄성을 갖는 소재로 마련될 수 있다.
따라서 배터리 모듈(100)들을 팩 트레이(200)의 판면(210)에 탑재할 때, 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)을 약간 잡아당겨 공간을 확보하고 제2 연결로드(173)를 상기 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)의 통공(220a)에 끼워넣을 수 있다. 그 후 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)에 나사(S3)를 체결하여 배터리 모듈(100)을 팩 트레이(200)에 고정시킨다. 대안적 실시예로, 팩 트레이(200)에 배터리 모듈(100)을 더 쉽게 탑재할 수 있도록 모듈/트레이 연결부재(170)에서 제2 연결로드(173) 부분을 없앨 수 있다. 이 경우 나사를 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)을 관통하여 상기 모듈/트레이 연결부재(170)의 몸체(171)에 체결하면 된다.
추가적으로 각각의 배터리 모듈(100)들은 일단부가 격벽(123)을 상하 방향으로 통과하여 팩 트레이(200)의 판면(210)에 체결되는 숄더 볼트(B)에 의해서도 팩 트레이(200)에 고정 결합될 수 있다.
이와 같은 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100)들이 팩 트레이(200)에 수평/수직 방향으로 마운팅되기 때문에 외부 충격이 가해지더라도 팩 트레이(200) 상에서 유동이 저지될 수 있다. 또한, 모듈/트레이 연결부재(170)에 의해 격벽(123)과 팩 트레이(200)의 좌/우측 벽면(220,230)이 연결되어 있어 벽면에 가해지는 충격이 상기 격벽(123)에 의해 완충될 수 있다.
이상과 같은, 본 발명에 따른 배터리 팩 구성에 의하면, 종래 배터리 팩과 달리, 크로스 빔이 없는 팩 트레이에 다수의 배터리 모듈(100)들을 집약적으로 탑재하여 에너지 밀도를 증가시킬 수 있으면서도, 배터리 팩(10)의 구조적 안정성을 유지할 수 있다.
이어서, 도 10을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 구성에 대해 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 전술한 실시예의 배터리 팩(10)을 기본 구조로 하고 이에 냉각 구성을 추가한 것이라 볼 수 있다.
예컨대, 도 7과 도 10을 같이 참조하면, 하나의 배터리 모듈(100)에는 4개의 배터리 서브 모듈(110)의 일측이 격벽(123)에 대향하게 배치되므로, 격벽(123)이 히트싱크 역할을 하도록 격벽(123) 내부에 냉각 유로(F)를 구성하여 4개의 배터리 서브 모듈(110)에서 발생하는 열을 흡수한다.
상기 격벽(123) 내부에 냉각수를 흘려보낼 수 있도록 본 실시예에 따른 모듈/트레이 연결부재(170)는 내부에 배관의 역할을 하는 통로가 형성되며, 격벽(123)에 마련되는 수용홀(123a)들은 격벽(123)의 전단부에서 후단부까지 연장되어 유로(F)를 형성한다. 상기 유로(F)는 모듈/트레이 연결부재(170)의 일측 즉, 제1 연결로드(172)와 연결될 수 있다. 그리고 상기 모듈/트레이 연결부재(170)의 타측 즉, 제2 연결로드(173)에는 냉매 공급/배출용 호스(240a,240b)가 연결될 수 있다.
종래의 배터리 팩(10)에 적용되는 히트싱크는 배터리 모듈(100)의 하부에 위치하여, 이는 배터리 팩(10) 설계시 배터리 모듈(100)의 높이를 제약하는 원인이 될 수 있는데, 본 발명에 따른 경우, 격벽(123)이 크로스 빔과 히트싱크 기능까지 동시에 하게 되므로 별도의 히트싱크 설치도 생략할 수 있어 배터리 팩(10) 내의 공간 활용율이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 상술한 둘 이상의 배터리 모듈(100)과 팩 트레이(200) 이외에도 상기 배터리 모듈(100)들의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 예컨대, BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등과, 팩 트레이(200)와 상호 결합 가능하게 마련되는 팩 커버를 더 포함할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
10: 배터리 팩 100: 배터리 모듈
110: 배터리 서브 모듈 111: 셀 적층체
113: 엔드 플레이트 114: 버스바
115: 전극 터미널 120: 모듈 프레임
121: 탑 플레이트 122: 바틈 플레이트
123: 격벽 130: 좌측 사이드 플레이트
140: 우측 사이드 플레이트 150: 전면 커버
160: 후면 커버 170: 모듈/트레이 연결부재
171: 몸체 171a: 플랜지부
172: 제1 연결로드 173: 제2 연결로드
180: 파티션 블럭 200: 팩 트레이

Claims (12)

  1. 상호 대면하며 소정 간격 상하로 이격 배치된 탑 및 바틈 플레이트, 상기 탑 및 바틈 플레이트 사이 공간을 수직으로 구획하는 적어도 하나의 격벽을 구비한 모듈 프레임;
    상기 적어도 하나의 격벽을 사이에 두고 상기 모듈 프레임 내에 행열 배치되는 둘 이상의 배터리 서브 모듈;
    상기 모듈 프레임의 양쪽 측면부를 커버하는 좌/우측 사이드 플레이트와, 상기 모듈 프레임의 전,후면부을 커버하는 전/후면 커버; 및
    상기 모듈 프레임 내에서 상기 둘 이상의 배터리 서브 모듈의 열과 열 사이에 개재되어 상기 격벽과 함께 상기 배터리 서브 모듈들을 구획화시키는 파티션 블럭을 포함하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    일측은 상기 적어도 하나의 격벽에 결합하고 타측은 상기 전/후면 커버를 관통하여 외부로 노출되는 모듈/트레이 연결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모듈/트레이 연결부재는 소정의 두께를 갖는 몸체와, 상기 몸체에 다단으로 돌출된 복수의 제1 연결로드와 상기 몸체에 상기 제1 연결로드의 반대방향으로 돌출된 제2 연결로드을 구비하고,
    상기 복수의 제1 연결로드는 상기 격벽의 전/후단부에 탭 가공된 수용홀들에 끼워맞춤되고, 상기 제2 연결로드는 상기 전/후면 커버를 관통하여 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모듈/트레이 연결부재는,
    상기 몸체에서 상하 방향으로 연장된 플랜지부를 더 구비하고, 상기 플랜지부가 상기 격벽에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탑 및 바틈 플레이트는 모서리 영역에 상하 방향으로 관통 형성된 체결홀들을 구비하고,
    상기 좌/우측 사이드 플레이트는 표면에서 돌출 형성되는 돌출부를 구비하고, 상기 돌출부에 상기 체결홀들과 상하 방향으로 나사 결합되는 체결홈이 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 서브 모듈 각각은,
    상호 적층된 배터리 셀들로 구성된 셀 적층체와, 상기 셀 적층체의 전,후면과 일 측면을 감싸는 3면으로 형성된 엔드 플레이트를 구비하고, 타 측면은 상기 모듈 프레임의 격벽에 대향하게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 삭제
  8. 제3항에 있어서,
    상기 모듈/트레이 연결부재는, 내부에 배관의 역할을 하는 통로가 형성되며,
    상기 수용홀들은 상기 격벽의 전단부에서 후단부까지 이어지는 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 따른 배터리 모듈들; 및
    상기 배터리 모듈들의 길이에 대응하는 폭으로 형성된 판면을 갖는 팩 트레이를 포함하며,
    상기 배터리 모듈들이 상기 팩 트레이에 형성되는 좌/우측 벽면을 지지하도록 상기 팩 트레이의 판면에 가로 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 모듈들은 일단부가 상기 격벽을 상하 방향으로 통과하여 상기 팩 트레이의 판면에 체결되는 숄더 볼트에 의해 상기 팩 트레이에 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 모듈들, 각각은
    일측은 상기 격벽에 결합하고 타측은 상기 전/후면 커버를 관통하여 외부로 노출되는 모듈/트레이 연결부재를 더 포함하며,
    상기 모듈/트레이 연결부재의 타측은 상기 팩 트레이의 좌/우측 벽면에 형성되는 통공에 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모듈/트레이 연결부재는 내부에 배관 역할을 하는 통로가 구비되며,
    상기 격벽에는 상기 모듈/트레이 연결부재의 일측과 연결되는 유로가 형성되고,
    상기 팩 트레이의 좌/우측 벽면의 통공 외측에서 상기 모듈/트레이 연결부재의 타측에 연결되는 냉매 공급/배출용 호스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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