KR20200064761A - 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제조 효율이 향상되고, 에너지 밀도가 높으며, 제품의 안정성을 높인 배터리 팩을 개시한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 플레이트를 가진 본체부 및 상기 플레이트 상에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부의 양단이 상부 방향으로 절곡 연장된 측벽부가 구비된 제1 프레임, 및 상기 제1 프레임의 하부에 결합되며 플레이트를 가진 본체부 및 상기 플레이트 아래에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부의 양단이 하부 방향으로 절곡 연장된 측벽부가 구비된 제2 프레임을 구비한 탑재 구조물; 및 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 내부 공간에 수용되고, 복수의 원통형 전지셀, 및 상기 복수의 원통형 전지셀이 삽입되는 복수의 중공관과 상기 복수의 중공관 간을 서로 연결하도록 구성된 연결부가 구비된 모듈 케이스를 구비한 적어도 둘 이상의 배터리 모듈을 포함한다.

Description

배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 {Battery Pack Having Battery Module}
본 발명은 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조 효율이 향상되고, 에너지 밀도가 높으며, 제품의 안정성을 높인 배터리 팩에 관한 것이다.
이차 전지는 다양한 제품군에 적용성이 높고, 높은 에너지 밀도를 가지는 전기적 특성을 가지고 있다. 이러한 이차 전지는 휴대용 전자 기기 뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 차량 또는 하이브리드 차량, 전력 저장 장치 등에 적용되고 있다.
이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점 뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 고출력을 얻기 위해 복수의 배터리 셀들을 포함하는 다수의 배터리 모듈을 연결한 구조를 가지고 있다. 그리고, 개개의 배터리 셀은 전극 조립체로서, 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
최근, 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다. 이때, 배터리 팩은, 한정된 공간에 많은 배터리 모듈을 수납할 수 있도록, 복수의 배터리 모듈들을 전후 방향으로 밀착 배열하여 구성할 수 있었다.
그리고, 종래기술의 배터리 팩은, 자동차, 자전거 등 이동 수단에 탑재될 경우, 사고로 인해 외부 충격이 발생되어, 탑재된 배터리 팩의 손상, 폭발, 화재 등이 발생되는 것을 방지할 필요가 있었다.
이를 위해, 종래기술의 배터리 팩은, 모듈 케이스를 좀더 기계적 강성이 높은 재질로 구현하거나, 외부 충격으로부터 많은 수의 원통형 전지셀을 보호하기 위한 보호 부재 등을 구비하는 시도가 있었다. 그러나, 재질 변경이나 보호 부재 등을 추가로 구비하는 것은, 배터리 팩의 중량을 증가시키거나, 제조 비용을 상승하는 등의 문제가 있었다. 더욱이, 이러한 시도들은 배터리 팩의 에너지 밀도를 떨어뜨리는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 제조 효율이 향상되고, 에너지 밀도가 높으며, 제품의 안정성을 높인 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은,
눕혀진 형태의 플레이트를 가진 본체부 및 상기 플레이트 상에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부의 양단이 상부 방향으로 절곡 연장된 측벽부가 구비된 제1 프레임, 및 상기 제1 프레임의 하부에 결합되며 눕혀진 형태의 플레이트를 가진 본체부 및 상기 플레이트 아래에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부의 양단이 하부 방향으로 절곡 연장된 측벽부가 구비된 제2 프레임을 구비한 탑재 구조물; 및
상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 내부 공간에 수용되고, 복수의 원통형 전지셀, 및 상하 방향으로 직립된 상기 복수의 원통형 전지셀이 삽입되는 복수의 중공관과 상기 복수의 중공관 간을 서로 연결하도록 구성된 연결부가 구비된 모듈 케이스를 구비한 적어도 둘 이상의 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 원통형 전지셀은 복수의 열 및 행으로 배치되고, 상기 복수의 원통형 전지셀은 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀과 지그재그 형태로 배치될 수 있다.
더욱이, 상기 연결부는, 하나의 중공관과 다른 행에 위치한 다른 중공관을 연결하도록 사선 방향으로 연장될 수 있다.
그리고, 상기 연결부는 일단부가 하나의 중공관과 연결되고 타단부가 다른 중공관과 연결된 판 형태를 가질 수 있다.
나아가, 상기 연결부에는 상기 배터리 모듈에 외부 충격에 의해 파열되거나 변형되도록 취약 부위가 형성될 수 있다.
또한, 상기 모듈 케이스는, 상기 직립한 복수의 원통형 전지셀의 상부를 수용하도록 복수의 상부 중공관이 구비된 상부 케이스, 및 상기 상부 케이스에서 하부 방향으로 이격되게 위치하며 상기 직립한 복수의 원통형 전지셀의 하부를 수용하도록 복수의 하부 중공관이 구비된 하부 케이스를 구비될 수 있다.
더욱이, 상기 상부 케이스의 상단부에는 상기 적어도 하나 이상의 원통형 전지셀을 하부 방향으로 저지하도록 구성된 복수의 상부 스토퍼가 형성되고, 상기 하부 케이스의 하단부에는 상기 적어도 하나 이상의 원통형 전지셀을 상부 방향으로 저지하도록 구성된 복수의 하부 스토퍼가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 모듈 케이스에는 상하 방향으로 개방된 형태이고 상기 복수의 중공관 중 외측에 위치한 중공관들과 연결되며 상기 복수의 원통형 전지셀을 수평 방향으로 둘러싼 형태를 가진 외벽이 구비될 수 있다.
또한, 상기 복수의 상부 스토퍼 및 하부 스토퍼 중, 어느 하나 이상은 일측에 위치한 외벽에서 타측에 위치한 외벽까지 연장 연결될 수 있다.
더욱이, 상기 상부 스토퍼 또는 상기 하부 스토퍼의 연장된 방향에 위치한 외벽은, 상기 제1 프레임 또는 상기 제2 프레임의 측벽부와 대면하도록 위치될 수 있다.
그리고, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 상기 측벽부 및 상기 본체부에는 내부 방향 또는 외부 방향으로 융기된 비딩 구조가 형성될 수 있다.
나아가, 상기 모듈 케이스의 상단면 및 하단면 중 어느 하나 이상에는 내부 방향으로 내입된 고정홈이 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 본체부에는 상기 고정홈에 삽입되도록 외부 방향으로 돌출 연장된 삽입부가 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 배터리 팩은,
상기 제1 프레임의 상부를 덮도록 위치된 상부 플레이트;
상기 제2 프레임의 하부를 상부 방향으로 지지하도록 위치된 하부 플레이트; 및
상단부가 상기 상부 플레이트와 결합되고 하단부가 상기 하부 플레이트와 결합되며 상하 방향으로 개방된 형태의 팩 하우징을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트에는 상기 모듈 케이스에 형성된 고정홈에 삽입되도록 내측 방향으로 돌출 연장된 고정부가 형성될 수 있다.
나아가, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자 디바이스는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명의 배터리 팩은, 배터리 모듈을 수용할 수 있는 내부 공간을 형성하는 제1 프레임 및 제2 프레임이 구비된 탑재 구조물을 포함함으로써, 탑재된 배터리 모듈이 외부 충격으로 인해 손상, 작동 불능, 수명 단축, 화재 등이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
또한, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 본 발명은, 모듈 케이스의 연결부를 하나의 중공관과 다른 행에 위치한 다른 중공관을 연결하도록 사선 방향으로 연장되도록 구성함으로써, 배터리 모듈에 가해지는 외부 충격 발생시, 연결부에 충격힘이 집중되어 연결부가 먼저 변형 내지 파열되도록 구성시킨 바, 모듈 케이스 내부에 수용된 복수의 원통형 전지셀에 충격이 전달되는 것을 최소화하는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명의 일측면에 의하면, 모듈 케이스의 연결부에 취약 부위를 형성시킴으로써, 배터리 모듈에 가해지는 외부 충격의 힘이 원통형 전지셀에 집중되지 않고 모듈 케이스의 연결부가 먼저 파괴되어 충격힘을 흡수시킬 수 있는 바, 외부 충격으로 인한 전지셀의 손상, 수명 저하 및 발화 등의 문제 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일측면에 의하면, 모듈 케이스는 복수의 원통형 전지셀의 외측면을 모두 감싸도록 중공관을 형성시키는 대신에, 복수의 원통형 전지셀의 상측면 및 하측면 만을 감싸도록 상부 케이스 및 하부 케이스를 구비함으로써, 복수의 원통형 전지셀에서 발생된 열이 외부로 효과적으로 방출될 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 일측면에 의하면, 상부 케이스 및 하부 케이스 각각에 상부 스토퍼 및 하부 스토퍼가 형성됨으로써, 모듈 케이스 내부에 수용된 복수의 원통형 전지셀들이 외부 충격으로 인해 모듈 케이스 밖으로 이탈되거나, 자주 유동되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 복수의 원통형 전지셀의 전극 단자와 전기적으로 연결된 접속 플레이트 간의 접촉 불량이나 손상이 발생되는 것을 막을 수 있다.
또한, 본 발명의 일측면에 의하면, 복수의 상부 스토퍼 및 하부 스토퍼 중, 어느 하나 이상은, 일측에 위치한 외벽에서 타측에 위치한 외벽까지 연장 연결된 형태를 가짐으로써, 모듈 케이스는 좌우 방향 또는 전후 방향에 가해지는 외부 충격에 견딜 수 있는 기계적 강성을 갖는데 유리한 구조를 가질 수 있다.
그리고, 본 발명의 일측면에 의하면, 제1 프레임 및 제2 프레임의 측벽부들 및 본체부들에 비딩 구조를 형성시킴으로써, 탑재 구조물의 기계적 강성을 직접적으로 향상시킬 수 있다. 더욱이, 제1 프레임 및 제2 프레임의 측벽부들에 내부 방향으로 융기되어 형성된 비딩 구조는, 내부 공간에 수용된 배터리 모듈이 유동하여 측벽부와 충돌을 일으킬 경우, 충돌로 인한 충격을 완충할 수 있어, 배터리 모듈의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일측면에 의하면, 배터리 팩 내부에 열전도성 물질을 충진 함으로써, 배터리 팩 내부에 축적된 열을 흡수하여 팩 하우징으로 전달할 수 있어, 배터리 팩의 냉각 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는, 도 1의 배터리 팩의 구성들 분리하여 개략적으로 나타낸 분리 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 분리 사시도이다.
도 4는, 도 3의 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 5는, 도 3의 배터리 모듈의 일부 구성인 모듈 케이스를 개략적으로 나타낸 저면 사시도이다.
도 6은, 도 5의 모듈 케이스의 A 영역의 부위를 확대하여 개략적으로 나타낸 일부 저면 사시도이다.
도 7은, 도 3의 배터리 모듈의 모듈 케이스의 하부 케이스를 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 9는, 도 8의 배터리 팩의 일부 구성들 만을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 10은, 도 8의 배터리 팩의 일부 구성인 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 11은, 도 8의 배터리 팩의 일부 구성인 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대한 충돌 시험 과정을 간략히 나타낸 모식도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대한 충돌 시험 전, 후의 모습을 촬영한 사진들이다.
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.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 그리고, 도 2는, 도 1의 배터리 팩의 구성들 분리하여 개략적으로 나타낸 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000)은, 탑재 구조물(300) 및 둘 이상의 배터리 모듈(200, 201)을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 탑재 구조물(300)은, 제1 프레임(310) 및 상기 제1 프레임(310)의 하부에 결합되는 제2 프레임(320)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 제1 프레임(310)은, 본체부(311) 및 측벽부(313)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 본체부(311)는 2개의 표면이 상부와 하부를 향하도록 눕혀진 형태의 플레이트를 가질 수 있다. 더욱이, F 방향으로 바라볼 경우, 상기 측벽부(313)는, 상기 플레이트 상에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부(311)의 좌우 방향의 양단이 상부 방향으로 절곡 연장되어 형성될 수 있다.
여기서, 전, 후, 좌, 우, 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어는 관측자의 위치나 대상의 놓여진 형태에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해, F 방향으로 바라볼 때를 기준으로 하여, 전, 후, 좌, 우, 상, 하 등의 방향을 구분하여 나타내도록 한다.
그리고, 상기 제2 프레임(320) 또한, 본체부(321) 및 측벽부(323)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 본체부(321)는 2개의 표면이 상부와 하부를 향하도록 눕혀진 형태의 플레이트를 가질 수 있다. 더욱이, F 방향으로 바라볼 때, 상기 측벽부(323)는, 상기 플레이트 아래에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부(321)의 좌우 방향의 양단이 하부 방향으로 절곡 연장되어 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 팩(1000)은, 제1 프레임(310) 및 제2 프레임(320)을 구비할 수 있다. 그리고, 상기 제1 프레임(310)에는, 눕혀진 형태의 플레이트를 가진 본체부(311) 및 상기 본체부(311)의 좌우 방향의 양단이 절곡 연장된 측벽부(313)가 형성될 수 있다. 나아가, 상기 제2 프레임(320)에는, 눕혀진 형태의 플레이트를 가진 본체부(321) 및 상기 본체부(321)의 좌우 방향의 양단이 절곡 연장된 측벽부(313)가 형성될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 프레임(310)의 상기 본체부(311)의 플레이트의 하면과 상기 제2 프레임(320)의 본체부(321) 플레이트의 상면은 서로 결합될 수 있다. 이때, 용접 접합을 사용해 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)을 서로 결합시킬 수 있다. 그리고, 상기 제1 프레임(310)과 상기 제2 프레임(320) 각각은 하나의 배터리 모듈(200)을 수용할 수 있는 내부 공간을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 본 발명의 배터리 팩(1000)은, 상기 배터리 모듈(200)을 수용할 수 있는 내부 공간을 형성하는 제1 프레임(310) 및 제2 프레임(320)이 구비된 탑재 구조물(300)을 포함함으로써, 탑재된 배터리 모듈(200)이 외부 충격으로 인해 손상, 작동 불능, 수명 단축, 화재 등이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
나아가, 상기 탑재 구조물(300)은, 별개의 구성인 제1 프레임(310) 및 제2 프레임(320)이 서로 결합되는 방식으로 구성됨으로써, 일체형으로 구성된 'H'자 구조물과 달리, 제조가 간단하고 소규모의 제조시설로도 탑재 구조물(300)을 제조할 수 있으므로, 그 제조 비용을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 일부 구성인 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 분리 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 배터리 모듈(200)은, 복수의 원통형 전지셀(100), 상기 복수의 원통형 전지셀(100)들의 적어도 일부위를 삽입 수용하도록 구성된 모듈 케이스(210), 및 접속 플레이트들(220, 221)를 구비할 수 있다.
구체적으로, 상기 원통형 전지셀(100)은, 원통형 전지캔(120), 및 상기 전지캔(120)의 내부에 수용된 전극 조립체(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 전극 조립체는, 전극활물질이 도포된 양극, 음극, 및 상기 양극 및 음극 사이에 개재되는 분리막을 포함할 수 있다.
또한, 상기 원통형 전지셀(100)은, 상기 전지캔(120)이 상하 방향으로 세워진 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 상기 전지캔(120)은, 전기 전도성이 높은 재질을 포함하고 있으며, 예를 들면, 상기 전지캔(120)은 알루미늄 또는 구리 소재를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전지캔(120)의 상부 및 하부 각각에 전극 단자(111)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전지캔(120)의 상단의 평평한 원형의 상면에는 제1 전극 단자(111a)가 형성될 수 있고, 상기 전지캔(120)의 하단의 평평한 원형의 하면에는 제2 전극 단자(111b)가 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 배터리 모듈(200)에는 25개의 원통형 전지셀(100)이 구비될 수 있다. 또한, 25개의 원통형 전지셀(100) 중, 10개의 원통형 전지셀(100)은 상단부에 양극 단자(111a)가 형성되고 하단부에 음극 단자(111b)가 형성될 수 있다. 나머지 15개의 원통형 전지셀(100)은 상단부에 음극 단자(111b)가 형성될 수 있고, 하단부에 양극 단자(111a)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 전지캔(120)의 측부에는 전기적 절연 부재가 피복될 수 있다. 즉, 상기 전지캔(120)은 내부에 전극 조립체의 전극과 전기적으로 연결되어 있으므로, 의도하지 않은 도전성 물체가 상기 전지캔(120)에 접촉하여 전기 누설이 발생하지 않도록 상기 전지캔(120)의 측부를 둘러싸는 절연 필름(도시하지 않음) 또는 전기 절연성의 접착제가 피복될 수 있다.
또한, 전극 조립체(도시하지 않음)는, 양극과 음극 사이에 분리막을 개재한 상태로 젤리-롤형으로 권취한 구조로 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 양극(도시하지 않음)에는 양극 탭이 부착되어 전지캔(120)의 상단의 제1 전극 단자(111a)에 접속될 수 있다. 그리고, 상기 음극(도시하지 않음)에는 음극 탭이 부착되어 전지캔(120)의 하단의 제2 전극 단자(111b)에 접속될 수 있다.
나아가, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)은, F 방향으로 바라볼 때, 모듈 케이스(210) 내에서 상하 방향으로 세워진 형태로 수평 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)은 복수의 열 및 행으로 배치될 수 있다. 여기서, 도 1에서 F 방향으로 바라볼 경우, 상기 하나의 열에 배치된 복수의 원통형 전지셀은 전후 방향(L)으로 배열될 수 있고, 상기 하나의 행에 배치된 복수의 원통형 전지셀은 좌우 방향(W)으로 배치될 수 있다.
그리고, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)은 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀(100)과 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 좀더 구체적으로, 복수의 원통형 전지셀(100) 중, 하나의 행 및 열에 위치한 원통형 전지셀(100)은 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀(100)과 좌우 방향으로 서로 이격되어 위치될 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 배터리 모듈(200)에는, 23개의 원통형 전지셀(100)을 구비하고 있다. 그리고, 상기 23개의 원통형 전지셀(100)은, 상하 방향으로 세워진 형태로, 수평 방향으로 서로 인접하도록 배치될 수 있다. 나아가, 하나의 열에 배치된 복수의 원통형 전지셀(100)들은 양극 단자(111a)가 상단부에 위치되고, 음극 단자(111b)는 하단부에 형성될 수 있다. 또한, 다른 행에 배치된 복수의 원통형 전지셀(100)들은 양극 단자(111a)가 하단부에 위치되고, 음극 단자(111b)는 상단부에 형성될 수 있다. 더욱이, 하나의 열에 배치된 복수의 원통형 전지셀(100)은 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀(100)과 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 즉, 하나의 열에 배치된 복수의 원통형 전지셀(100)은, 다른 행에 위치한 원통형 전지셀(100)과 원통의 중심을 기준으로 행 방향으로 일정 거리로 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 상기 접속 플레이트(220)는 연결 바(225) 및 접속부(227)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 연결 바(225)는, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다. 즉, 상기 연결 바(225)는, 상기 모듈 케이스(210)의 상부 또는 하부에 탑재될 수 있다.
예를 들면, 도 3에서 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(200)의 모듈 케이스(210) 상부에는 3개의 접속 플레이트(220) 각각이 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 전극 단자(111)와 접속하도록 위치될 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈(200)의 모듈 케이스(210) 하부에는 3개의 접속 플레이트(220) 각각이 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 전극 단자(111)와 접속하도록 위치될 수 있다. 더욱이, 상기 6개의 접속 플레이트(220) 각각은 연결 바(225)를 구비할 수 있다. 그리고, 6개의 접속 플레이트(220) 중 2개의 접속 플레이트(220)는 외부 입출력 단자 역할을 수행할 수 있도록 일단부에 개구(H2)가 형성될 수 있다.
나아가, 상기 연결 바(225)는 일부위에 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 전극 단자(111)와 전기적으로 접촉 연결되는 접속부(227)가 복수개 구비될 수 있다. 또한, 상기 접속 플레이트(220)의 접속부(227)는 상기 복수의 원통형 전지셀(100)에 형성된 전극 단자(111)와 전기적으로 접촉 연결되도록 수평 방향으로 연장 돌출되어 형성될 수 있다. 더욱이, 상기 접속부(227)의 돌출된 단부는 돌출 연장 방향을 기준으로 양측으로 갈라진 분지 구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 6개의 접속 플레이트(220)의 연결 바(225) 각각에는 5개의 접속부(227)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 접속부(227)는 돌출 연장 방향을 기준으로 양측으로 갈라진 분지 구조를 가질 수 있다.
나아가, 상기 접속 플레이트(220)는 전기 전도성 소재를 구비할 수 있다. 예를 들면, 상기 전기 전도성 소재는, 구리, 니켈, 알루미늄, 금, 은 등이 주재료로 구성된 금속 합금일 수 있다.
더불어, 상기 배터리 팩(1000)은, 복수의 배터리 모듈들(200, 201)을 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결하기 위한 버스바(도시하지 않음)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 버스바는, 상기 배터리 모듈들(200, 201) 각각에 구비된 접속 플레이트와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 버스바는, 알루미늄, 구리 등의 소재를 포함할 수 있다.
도 4는, 도 3의 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 그리고, 도 5는, 도 3의 배터리 모듈의 일부 구성인 모듈 케이스를 개략적으로 나타낸 저면 사시도이다. 여기서, 도 4에 나타낸 배터리 모듈(200)은, 내부 구성의 설명의 편의를 위해 접속 플레이트 구성을 생략하여 도시하였다.
도 3와 함께, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 모듈 케이스(210)는, 복수의 중공관(213) 및 연결부(215)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 중공관(213)은 상하 방향으로 직립된 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 적어도 일부위가 삽입되도록 형성될 수 있다. 그리고, 상기 중공관(213)은 상기 원통형 전지셀(100)의 전지캔(120)의 수평 방향의 상측면, 하측면, 또는 상하 측면 모두를 감싸도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 모듈 케이스(210)에는 25개의 중공관(213)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 25개의 중공관(213)은 상기 원통형 전지셀(100)의 전지캔(120)의 수평 방향의 상측면을 감싸도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 연결부(215)는 상기 복수의 중공관(213) 간을 서로 연결하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 모듈 케이스(210)는 상기 25개의 중공관(213) 간을 서로 연결하도록 구성된 복수의 연결부(215)가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)은 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀(100)과 지그재그 형태로 배치될 경우, 상기 연결부(215)는 하나의 중공관(213)과 다른 행에 위치한 다른 중공관(213)을 연결하도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 상기 연결부(215)는 하나의 중공관(213)에서 다른 행에 위치한 다른 중공관(213)으로 사선 방향으로 연장될 수 있다. 여기서, 사선 방향은, 수직인 방향이 아닌 방향을 의미하며, 예를 들면, 상기 전후 방향(도 3의 L)을 기준으로 좌우 방향(도 3의 W)으로 각도가 1도 이상 틀어진 방향으로 의미한다.
또한, 상기 연결부(215)는 상기 하나의 중공관(213)의 중심점과 다른 하나의 중공관(213)의 중심점을 잇는 선분 상에 위치될 수 있다. 더욱이, 상기 연결부(215)는 하나의 중공관(213)과 같은 행에 위치한 인접한 중공관(213)과 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 모듈 케이스(210)는, 하나의 중공관(213)과 다른 행에 위치한 다른 중공관(213)을 연결하도록 좌 사선 방향 또는 우 사선 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 그리고, 다른 연결부(215)는 하나의 중공관(213)과 같은 행에 위치한 인접한 중공관(213)과 서로 연결되도록 좌우 방향(W)으로 연장되어 형성될 수 있다.
여기서, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)이 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀(100)과 지그재그 형태로 배치된 경우, 상기 배터리 모듈(200)에 전후 방향(L)으로 외부 충격 발생시, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)은 사선 방향으로 이동하는 힘이 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 모듈 케이스(210)의 상기 복수의 중공관(213)을 연결하는 연결부(215c)는, 사선 방향으로 연장된 구조를 가짐으로써, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)은 사선 방향으로 이동하는 힘을 저지하거나, 힘을 흡수하는 것이 용이할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 연결부(215c)를 하나의 중공관(213)과 다른 행에 위치한 다른 중공관(213)을 연결하도록 사선 방향으로 연장되도록 구성함으로써, 상기 배터리 모듈(200)에 가해지는 외부 충격 발생시, 상기 연결부(215)에 충격힘이 집중되어 연결부(215)가 먼저 변형 내지 파열되도록 구성시킨 바, 상기 모듈 케이스(210) 내부에 수용된 복수의 원통형 전지셀(100)에 충격이 전달되는 것을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 상기 연결부(215)는 판 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 판 형태는 일단부가 하나의 중공관(213)과 연결되고 타단부가 다른 중공관(213)과 연결된 구성일 수 있다. 더욱이, 상기 연결부(215)의 일단부 및 타단부는 상기 중공관(213)의 하단부에서 상단부까지 연장된 형태일 수 있다. 즉, 상기 연결부(215)는 상기 중공관(213)의 상하 방향의 길이와 대응되는 상하 방향의 길이를 가질 수 있다.
도 6은, 도 5의 모듈 케이스의 A 영역의 부위를 확대하여 개략적으로 나타낸 일부 저면 사시도이다.
도 1과 함께 도 6을 참조하면, 상기 연결부(215)의 일부에는 상기 배터리 모듈(200)에 외부 충격에 의해 파열되거나 변형되도록 취약 부위가 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 취약 부위는 일부위가 내부 방향으로 갈라진 노치일 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 연결부(215)의 일단부(상단부) 및 타단부(하단부) 각각에는 노치가 형성될 수 있다. 물론, 상기 취약 부위를 이러한 노치로만 한정되는 것은 아니고, 충격 흡수에 유리한 구조이면 어떤 형태든 적용이 가능하다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 연결부(215)에 취약 부위를 형성시킴으로써, 배터리 모듈(200)에 가해지는 외부 충격의 힘이 상기 원통형 전지셀(100)에 집중되지 않고 상기 모듈 케이스(210)가 먼저 파괴되어 충격힘을 흡수시킬 수 있는 바, 외부 충격으로 인한 전지셀의 손상, 수명 저하 및 발화 등의 문제 발생을 방지할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 모듈 케이스(210)는 상부 케이스(210a) 및 하부 케이스(210b)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 케이스(210a)는 상기 직립한 복수의 원통형 전지셀(100)의 상부를 수용하도록 복수의 상부 중공관(213)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 하부 케이스(210b)는 상기 상부 케이스(210a)에서 일정 거리로 하부 방향으로 이격되게 위치할 수 있다. 또한, 상기 하부 케이스(210b)는, 상기 직립한 복수의 원통형 전지셀(100)의 하부를 수용하도록 복수의 하부 중공관(213b)이 구비될 수 있다.
즉, 상기 상부 케이스(210a) 및 상기 하부 케이스(210b)로 이루어진 모듈 케이스(210)는, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 상측면 및 하측면 각각을 감싸도록 위치될 수 있다. 달리 말해, 상기 모듈 케이스(210)는, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 수평 방향의 외측면의 중앙 부위가 외부로 노출되도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 모듈(200)에 구비된 상기 모듈 케이스(210)는 상부 케이스(210a) 및 하부 케이스(210b)를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 상부 케이스(210a)의 상부 중공관(213a)과 상기 하부 케이스(210b)의 하부 중공관(213b)은 서로 일정 거리로 이격된 형태를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 모듈 케이스(210)는 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 외측면을 모두 감싸도록 중공관을 형성시키는 대신에, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 상측면 및 하측면 만을 감싸도록 상부 케이스(210a) 및 하부 케이스(210b) 각각의 상부 중공관(213a)과 하부 중공관(213b)을 구비함으로써, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)에서 발생된 열이 외부로 효과적으로 방출될 수 있는 장점이 있다.
더욱이, 다시 도 3을 참조하면, 상기 모듈 케이스(210)에 형성된 복수의 연결부(215) 중, 일부는 원형관(b1)을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 케이스(210a)는 상기 복수의 상부 중공관(213)을 서로 연결하도록 연장된 상부 연결부(215)를 복수개 구비할 수 있다. 그리고, 상기 복수의 상부 연결부(215) 중 일부는 내부 방향으로 돌출 연장된 원형관(b1)을 가질 수 있다.
나아가, 상기 하부 케이스(210b)는 상기 복수의 하부 중공관(213b)을 서로 연결하도록 연장된 하부 연결부(215)를 복수개 구비할 수 있다. 또한, 상기 복수의 하부 연결부(215) 중 일부는 내부 방향으로 돌출 연장된 원형관(b2)을 가질 수 있다.
더욱이, 상기 상부 연결부(215)의 원형관(b1)과 상기 하부 연결부(215)의 원형관(b2)은 서로 결합되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 연결부(215)의 원형관(b1)과 상기 하부 연결부(215)의 원형관(b2)는 서로 암수 결합 구조를 가질 수 있다. 그리고, 상기 상부 연결부(215)의 원형관(b1)과 상기 하부 연결부(215)의 원형관(b2)은 볼트(도시하지 않음)가 삽입되어 서로 결합될 수 있다. 이때, 상기 볼트는, 상기 상부 연결부(215) 및 상기 하부 연결부(215)의 원형관들(b1, b2) 각각에 삽입 고정될 수 있도록 상기 볼트와 결합되는 너트를 더 포함할 수 있다.
도 7은, 도 3의 배터리 모듈의 모듈 케이스의 하부 케이스를 개략적으로 나타낸 저면도이다. 여기서, 도 7에 나타낸 배터리 모듈(200)은, 내부 구성의 설명의 편의를 위해 접속 플레이트 구성을 생략하여 도시하였다.
다시 도 4와 함께 도 7을 참조하면, 상기 상부 케이스(210a)의 상단부에는 복수의 상부 스토퍼(216a)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 스토퍼(216a)는 상기 적어도 하나 이상의 원통형 전지셀(100)을 하부 방향으로 저지하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 상부 스토퍼(216a)는, 상기 상부 케이스(210a)에 수용된 복수의 원통형 전지셀(100)이 상부 방향으로 이동되는 것을 저지하도록 상하면이 평평한 플레이트 형상을 가질 수 있다. 이로 인해, 상기 원통형 전지셀(100)은, 상기 상부 케이스(210a) 내부에 수용 고정될 수 있다.
더욱이, 상기 하부 케이스(210b)의 하단부에는 복수의 하부 스토퍼(216a2)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 하부 스토퍼(216a2)는 상기 적어도 하나 이상의 원통형 전지셀(100)을 상부 방향으로 저지하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 하부 스토퍼(216a2)는, 상기 하부 케이스(210b)에 수용된 복수의 원통형 전지셀(100)이 하부 방향으로 이동되는 것을 저지하도록 상하면이 평평한 플레이트 형상을 가질 수 있다. 이로 인해, 상기 원통형 전지셀(100)은, 상기 하부 케이스(210b) 내부에 수용 고정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 상부 케이스(210a) 및 상기 하부 케이스(210b) 각각에 상부 스토퍼(216a) 및 하부 스토퍼(216a2)가 형성됨으로써, 상기 모듈 케이스(210) 내부에 수용된 복수의 원통형 전지셀(100)들이 외부 충격으로 인해 모듈 케이스(210) 밖으로 이탈되거나, 자주 유동되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 원통형 전지셀(100)의 전극 단자(111)와 전기적으로 연결된 접속 플레이트(220) 간의 접촉 불량이나 손상이 발생되는 것을 막을 수 있다.
또한, 도 3을 다시 참조하면, 상기 모듈 케이스(210)에는 상기 복수의 중공관(213)을 사방으로 둘러싸도록 형성된 외벽(211)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 외벽(211)은 상하 방향으로 개방된 사각 프레임 형태일 수 있다. 더욱이, 상기 외벽(211)은 상기 중공관(213)들 중 외측에 위치한 중공관(213)들과 연결되며 상기 복수의 원통형 전지셀(100)을 수평 방향으로 둘레에 위치된 형태일 수 있다.
예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 상부 케이스(210a)의 외벽(211)은, 평면상으로 사각형일 수 있다. 나아가, 상기 상부 케이스(210a)의 외벽(211)은, 전, 후, 좌, 우 방향에 위치된 제1 외벽(211a), 제2 외벽(211b), 제3 외벽(211c), 및 제4 외벽(211d)을 포함할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 하부 케이스(210b)의 외벽(211)은, 평면상으로 사각형일 수 있다. 나아가, 상기 하부 케이스(210b)의 외벽(211)은, 전, 후, 좌, 우 방향에 위치된 제1 외벽(211a), 제2 외벽(211b), 제3 외벽(211c), 및 제4 외벽(211d)을 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 복수의 상부 스토퍼(216a) 및 하부 스토퍼(216a2) 중, 어느 하나 이상은 일측에 위치한 외벽(211c)에서 타측에 위치한 외벽(211d)까지 연장 연결된 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 스토퍼(216a) 중, 2개(216b)는 좌우 방향의 일단부가 제3 외벽(211c)과 연결되고 타단부가 제4 외벽(211d)과 연결된 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 스토퍼(216b) 중, 2개(216b2)는 좌우 방향의 일단부가 제3 외벽(211c)과 연결되고 타단부가 제4 외벽(211d)과 연결된 형태를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 복수의 상부 스토퍼(216a) 및 하부 스토퍼(216a2) 중, 어느 하나 이상은 일측에 위치한 외벽(211)에서 타측에 위치한 외벽(211)까지 연장 연결된 형태를 가짐으로써, 상기 모듈 케이스(210)는 좌우 방향 또는 전후 방향에 가해지는 외부 충격에 견딜 수 있는 기계적 강성을 갖는데 유리한 구조를 가질 수 있다.
또한, 다시 도 1을 참조하면, 상기 상부 스토퍼(216b) 또는 상기 하부 스토퍼(216b2)의 연장된 방향에 위치한 외벽(211)은 상기 제1 프레임(310)의 측벽부(313) 또는 상기 제2 프레임(320)의 측벽부(323)와 대면하도록 위치될 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 상부 케이스(210a)의 상기 상부 스토퍼(216a) 및 상기 하부 케이스(210b)의 상기 하부 스토퍼(216a2)의 연장된 방향은 좌우 방향일 수 있다. 그리고, 상기 모듈 케이스(210)의 제3 외벽(211c)은 상기 제1 프레임(310)의 중심을 기준으로 좌측 측벽부(313)와 대면하도록 위치되고, 상기 제4 외벽(211d)은 상기 제1 프레임(310)의 우측 측벽부(313)와 대면하도록 위치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 상부 스토퍼(216b) 또는 상기 하부 스토퍼(216b2)의 연장된 방향에 위치한 외벽(211)은, 상기 제1 프레임(310)의 측벽부(313) 또는 상기 제2 프레임(320)의 측벽부(323)와 대면하도록 위치될 경우, 상기 배터리 팩(1000)에 좌우 방향으로 가해진 외부 충격을 견딜 수 있는 기계적 강성을 좀더 보강할 수 있어, 배터리 팩(1000)의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)에는 기계적 강성을 높일 수 있는 비딩 구조(310b)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 비딩 구조(310b)는 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)의 상기 측벽부들(313, 323) 및 상기 본체부들(311, 321)에 형성될 수 있다. 상기 비딩 구조(310b)는, 내부 방향 또는 외부 방향으로 융기된 형태를 가질 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320) 각각의 측벽부들(313, 323)에는 내부 방향으로 융기된 비딩 구조(310b)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)의 본체부들(311, 321)에도 상하 방향으로 융기된 비딩 구조(311b)가 복수개 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)의 측벽부들(313, 323) 및 본체부들(311, 321)에 비딩 구조들(310b, 320b, 311b)를 형성시킴으로써, 상기 탑재 구조물(300)의 기계적 강성을 직접적으로 향상시킬 수 있다. 더욱이, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)의 측벽부들(313, 323)에 내부 방향으로 융기되어 형성된 비딩 구조들(310b, 320b)은, 내부 공간에 수용된 배터리 모듈(200)이 유동하여 측벽부들(313, 323)과 충돌을 일으킬 경우, 충돌로 인한 충격을 완충할 수 있어, 배터리 모듈(200)의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 다시 도 1을 참조하면, 상기 배터리 팩(1000)에는, 배터리 모듈들(200, 201)과 전기적으로 연결된 여러 개의 전기적 부품(도시하지 않음)이 포함될 수 있다. 이때, 전기적 연결을 위해 별도의 모듈 버스바 또는 케이블이 사용될 수 있다. 그리고, 이러한 전기적 부품들을 전장품(electrical equipment)이라고도 한다. 나아가, 상기 배터리 팩(1000)에 포함되는 전장품의 대표적인 예로는, 릴레이나 전류센서, 퓨즈, BMS(Battery Management System) 등을 들 수 있다. 이러한 전장품들은 배터리 팩(1000)에 포함된 원통형 전지셀(100)의 충방전을 관리하고, 안전성을 확보하기 위한 구성요소로서, 대부분의 배터리 팩(1000)에 필수적으로 포함되는 구성요소라 할 수 있다.
구체적으로, 상기 전장품들은, 상기 제1 프레임(310)의 측벽부(313) 및 상기 제2 프레임(320)의 측벽부(323)의 외측에 구비될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)의 측벽부들(313, 323)의 외측에는 전기적 부품들을 탑재 시킴으로써, 상기 탑재 구조물(300)에 탑재된 복수의 배터리 모듈(200)로부터 발생된 전자파 또는 자기장의 영향을 피할 수 있어, 오작동 내지 신호 노이즈 발생을 방지할 수 있다. 즉, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)이 전자파나 자기장을 차단할 수 있는 금속으로 구성될 수 있어, 이러한 효과를 발휘할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 9는, 도 8의 배터리 팩의 일부 구성들 만을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 10은, 도 8의 배터리 팩의 일부 구성인 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 그리고, 도 11은, 도 8의 배터리 팩의 일부 구성인 배터리 모듈을 개략적으로 나타낸 저면도이다. 여기서, 도 9에서는 도면 설명의 편의를 위해 상부 플레이트를 투명하게 도시하였고, 제1 프레임(310)의 본체부(311)에 형성된 삽입부(325)를 숨은선으로 표시하였다.
먼저 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 모듈(200B)은 상기 모듈 케이스(210)의 상단면 및 하단면 중 어느 하나 이상에 내부 방향으로 내입된 고정홈(H1)이 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 모듈 케이스(210)의 상부 케이스(210a)의 상단면에는 일방향으로 나열된 복수의 고정홈(H1)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 모듈 케이스(210)의 하부 케이스(210b)의 하단면에도 일방향으로 나열된 복수의 고정홈(H1)이 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 모듈 케이스(210)의 상부 케이스(210a)의 상단면에는 일방향으로 나열되고 하부 방향으로 내입된 원형의 복수의 고정홈(H1)이 형성될 수 있다. 또한, 예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 모듈 케이스(210)의 하부 케이스(210b)의 하단면에는 일방향으로 나열되고 상부 방향으로 내입된 원형의 복수의 고정홈(H1)이 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 제1 프레임(310)의 본체부(311) 및 상기 제2 프레임(320)의 본체부(321)에는 상기 고정홈(H1)에 삽입되도록 외부 방향으로 돌출 연장된 삽입부들(315, 325)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 프레임(310)의 본체부(311)의 상면에는 상부 방향으로 돌출 연장된 형태(뿔 모양)의 복수의 삽입부(315)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제2 프레임(320)의 본체부(321)의 하면에는 하부 방향으로 돌출 연장된 형태(뿔 모양)의 복수의 삽입부(325)가 형성될 수 있다. 나아가, 상기 삽입부들(315, 325)은 상기 상부 케이스(210a) 및 상기 하부 케이스(210b) 각각에 형성된 상기 고정홈(H1)들에 삽입되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 삽입부(315)는, 상기 본체부(311)에 천공된 고정 개구에 삽입된 압입 너트, 및 상기 압입 너트에 결합된 뿔 모양의 볼트를 구비할 수 있다.
예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1 프레임(310)의 본체부(311)에는 6개의 삽입부(315)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 삽입부(315)는 상기 제1 프레임(310)의 본체부(311)로부터 상부 방향으로 연장된 원통형의 몸체, 및 상단부가 상부 방향으로 지름이 연속적으로 작아지는 뿔형태를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 제2 프레임(320)의 본체부(321)에는 6개의 삽입부(325)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 삽입부(325)는, 상기 제2 프레임(320)의 본체부(321)로부터 하부 방향으로 연장된 원통형의 몸체, 및 상단부가 상부 방향으로 지름이 연속적으로 작아지는 뿔형태를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 모듈 케이스(210)에는 고정홈(H1)을 구비하고, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)에 상기 고정홈(H1)에 삽입되는 삽입부들(315, 325)을 형성시킴으로써, 상기 탑재 구조물(300)에 수용된 상기 배터리 모듈(200)을 유동이 없도록 고정시킬 수 있다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩(1000B)은, 상부 플레이트(340), 하부 플레이트(350) 및 팩 하우징(360)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 플레이트(340)는, 상기 제1 프레임(310)의 상부를 덮을 수 있는 크기로 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 플레이트(340)는 상기 제1 프레임(310)의 상부에 접하도록 위치될 수 있다. 더욱이, 상기 하부 플레이트(350)는 상기 제2 프레임(320)의 하부를 상부 방향으로 지지하도록 상기 제2 프레임(320)의 평면 크기보다 크게 형성될 수 있다. 그리고, 상기 하부 플레이트(350)는 상기 제2 프레임(320)의 하부에 위치될 수 있다.
나아가, 상기 상부 플레이트(340)에는 상기 제1 프레임(310)의 측벽부(313)의 상단부가 삽입 고정되기 위한 삽입홈(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 하부 플레이트(350)에는 상기 제2 프레임(320)의 측벽부(323)의 하단부가 삽입 고정되기 위한 삽입홈(H3)이 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 팩(1000)은, 상기 제1 프레임(310) 및 상기 제2 프레임(320)을 구비한 탑재 구조물(300)과 상기 상부 플레이트(340), 상기 하부 플레이트(350)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상부 플레이트(340)는 상기 제1 프레임(310)의 측벽부(313)의 상단부에 결합 위치될 수 있다. 그리고, 상기 하부 플레이트(350)는 상기 제2 프레임(320)의 측벽부(323)의 하단부에 결합 위치될 수 있다.
따라서 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 배터리 팩(1000)이 상부 플레이트(340) 및 하부 플레이트(350)를 더 포함함으로써, 상기 배터리 팩(1000)의 상부 및 하부에 가해지는 충격으로부터 내부 구성인 복수의 원통형 전지셀(100)의 손상을 방지할 수 있어, 보다 팩 안정성을 높일 수 있다.
한편, 다시 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 팩 하우징(360)은, 상단부가 상기 상부 플레이트(340)와 결합되고 하단부가 상기 하부 플레이트(350)와 결합된 형태일 수 있다. 또한, 상기 팩 하우징(360)은 상하 방향으로 개방된 통 형태일 수 있다. 더욱이, 상기 팩 하우징(360)의 측벽에는 격자 무늬의 리브(361)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 팩 하우징(360)의 측벽에는 상하 방향으로 연장된 선형의 리브(361a)와 상기 수평 방향으로 연장된 선형의 리브(361b)가 서로 교체된 격자 무늬의 리브(361)가 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 팩 하우징(360)을 격자 무늬의 리브(361)가 형성시킴으로써, 상기 팩 하우징(360)을 경량화 시킴과 동시에 기계적 강성을 보완할 수 있어, 팩 하우징(360)의 제조 비용 및 적용 접합성을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 다시 도 9, 도 10, 및 도 11을 참조하면, 상기 상부 플레이트(340) 및 상기 하부 플레이트(350)에는 상기 모듈 케이스(210)의 하부 케이스(210b)에 형성된 고정홈(H1)에 삽입되도록 구성된 고정부(353)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 고정부(353)는, 내측 방향으로 돌출 연장된 형태일 수 있다.
예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 상부 플레이트(340)에 형성된 고정부(보이지 않음)는, 플레이트의 하면으로부터 하부 방향으로 연장된 원통형의 몸체, 및 하단부가 하부 방향으로 지름이 연속적으로 작아지는 뿔형태를 가질 수 있다. 더욱이, 상기 하부 플레이트(350)에 형성된 고정부(353)는, 플레이트의 상면으로부터 상부 방향으로 연장된 원통형의 몸체, 및 상단부가 상부 방향으로 지름이 연속적으로 작아지는 뿔형태를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 상부 플레이트(340) 및 상기 하부 플레이트(350) 각각에 상기 모듈 케이스(210)에 형성된 고정홈(H1)에 삽입되도록 구성된 고정부(353)를 구비함으로써, 상기 탑재 구조물(300)에 탑재된 배터리 모듈(200)이 좀더 유동이 없도록 단단히 고정할 수 있는 이점이 있다.
그리고, 상기 배터리 팩(1000B)의 팩 하우징(360) 내부에는 열전도성 물질(도시하지 않음)이 충진될 수 있다. 구체적으로, 상기 열전도성 물질은, 열전도성이 높은 고분자 수지 또는 실리콘계 수지 및 필러를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자 수지는, 폴리 실록산 수지, 폴리아미드 수지, 우레탄 수지, 또는 에폭시계 수지일 수 있다. 그리고, 상기 열전도성 물질은 부가된 접착 물질이 고화된 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 접착 물질은 아크릴계, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 고무계 등의 물질일 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 팩(1000B)의 팩 하우징(360) 내부에는 열전도성 물질이 충진될 수 있다. 그리고, 상기 배터리 팩(1000B)의 내부 배터리 모듈(200)의 외면을 피복하도록 열전도성 물질이 충진될 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 상기 배터리 팩(1000B) 내부에 열전도성 물질을 충진 함으로써, 배터리 팩(1000B) 내부에 축적된 열을 흡수하여 팩 하우징(360)으로 전달할 수 있어, 배터리 팩(1000B)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전자 디바이스는, 상기 배터리 팩(1000)을 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 전자 디바이스(도시하지 않음)는, 상기 배터리 팩(1000)을 내부에 수용하는 케이스(도시하지 않음)를 구비할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 자동차(도시하지 않음)는, 상기 배터리 팩(1000)을 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 자동차는, 예를 들면, 상기 배터리 팩(1000)을 전원으로 하는 전기 모터(도시하지 않음)를 구비한 전기 자동차일 수 있다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(200)에 대한 충돌 시험 과정을 간략히 나타낸 모식도이다. 그리고, 도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 대한 충돌 시험 전, 후의 모습을 촬영한 사진들이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(200)은 일 방향의 길이가 125 mm이다. 상기 배터리 모듈(200)의 일측을 100 mm/min의 속도로 37.5mm의 거리까지 크러쉬 바(B)를 사용해 가압한 후, 탑재된 25개의 원통형 전지셀의 상태를 평가하는 안전성(내구성) 시험을 수행하는 과정을 나타냈다.
구체적으로, 본 시험에서 사용된 배터리 모듈은, 도 1에 개시된 배터리 모듈(200)의 5열 5행으로 지그재그로 배열된 25개의 원통형 전지셀, 상기 접속 플레이트, 상기 모듈 케이스와 동일한 구성을 사용하였다. 그 중, 모듈 케이스(210)의 재질은 폴리 카보네이트 및 ABS 수지가 조합된 엔지니어링 플라스틱(제품명: LUPOYGN5001RF)으로 하였다.
시험 결과, 크러쉬 바(B)와 배터리 모듈(200)의 충돌시키고 난 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 구비된 5열 5행으로 배치된 25개의 원통형 전지셀들 각각의 전압을 측정하여, 배열된 순서에 해당하는 원통형 전지셀들의 전압 값을 하기와 같이 나타냈다. 이때, 충돌 전, 25개의 원통형 전지셀들의 평균 전압 값은 대략 4.187V 이였다.
행 / 열
(V, volt)		 1 2 3 4 5
1 4.184 4.187 4.187 4.187 4.187
2 4.157 4.157 4.157 4.157 4.157
3 4.180 4.180 4.180 4.180 4.180
4 4.187 4.187 4.185 4.187 4.187
5 4.187 4.187 4.187 4.187 4.187
상기 표 1의 전압 값에서 볼 수 있듯이, 충돌 시험 이후에도 본 발명의 배터리 모듈에 수용된 25개의 원통형 전지셀들은 대체적으로 정상 전압 값을 유지하고 있었다. 이는, 원통형 전지셀이 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀과 지그재그 형태로 배치된 경우, 배터리 모듈(200)에 전후 방향으로 외부 충격 발생시, 원통형 전지셀들은 사선 방향으로 이동하는 힘이 발생될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 배터리 모듈의 모듈 케이스는 중공관을 사선 방향으로 연결하는 연결부를 구비함으로써, 충격으로 인해 발생된 원통형 전지셀이 사선 방향으로 이동하는 힘을 저지하거나, 충격 힘을 흡수하는 것이 가능해, 효과적으로 원통형 전지셀의 손상을 방지할 수 있었던 것으로 판단된다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
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.
1000: 배터리 팩 100: 원통형 전지셀
300: 탑재 구조물 310, 320: 제1 프레임, 제2 프레임
311, 321: 본체부 313, 323: 측벽부
315, 325: 삽입부
200, 201: 배터리 모듈
111, 111a, 111b: 전극 단자, 제1 전극 단자, 제2 전극 단자
220, 221: 접속 플레이트 225, 227: 연결 바, 접속부
210: 모듈 케이스 210a, 210b: 상부 케이스, 하부 케이스
211, 211a, 211b, 211c, 211d: 외벽, 제1 외벽, 제2 외벽, 제3 외벽, 제4 외벽
H1: 고정홈 216a, 216b: 상부 스토퍼, 하부 스토퍼
213: 중공관 215, 215a, 215c: 연결부
310b, 320b: 비딩 구조 340, 350: 상부 플레이트, 하부 플레이트
353: 고정부 360: 팩 하우징

Claims (13)

  1. 눕혀진 형태의 플레이트를 가진 본체부 및 상기 플레이트 상에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부의 양단이 상부 방향으로 절곡 연장된 측벽부가 구비된 제1 프레임, 및 상기 제1 프레임의 하부에 결합되며 눕혀진 형태의 플레이트를 가진 본체부 및 상기 플레이트 아래에 내부 공간이 형성되도록 상기 본체부의 양단이 하부 방향으로 절곡 연장된 측벽부가 구비된 제2 프레임을 구비한 탑재 구조물; 및
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 내부 공간에 수용되고, 복수의 원통형 전지셀, 및 상하 방향으로 직립된 상기 복수의 원통형 전지셀이 삽입되는 복수의 중공관과 상기 복수의 중공관 간을 서로 연결하도록 구성된 연결부가 구비된 모듈 케이스를 구비한 적어도 둘 이상의 배터리 모듈
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 전지셀은 복수의 열 및 행으로 배치되고,
    상기 복수의 원통형 전지셀은 인접한 다른 행에 위치한 원통형 전지셀과 지그재그 형태로 배치되며,
    상기 연결부는, 하나의 중공관과 다른 행에 위치한 다른 중공관을 연결하도록 사선 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는 일단부가 하나의 중공관과 연결되고 타단부가 다른 중공관과 연결된 판 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결부에는 상기 배터리 모듈에 외부 충격에 의해 파열되거나 변형되도록 취약 부위가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스는, 상기 직립한 복수의 원통형 전지셀의 상부를 수용하도록 복수의 상부 중공관이 구비된 상부 케이스, 및 상기 상부 케이스에서 하부 방향으로 이격되게 위치하며 상기 직립한 복수의 원통형 전지셀의 하부를 수용하도록 복수의 하부 중공관이 구비된 하부 케이스를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 케이스의 상단부에는 상기 적어도 하나 이상의 원통형 전지셀을 하부 방향으로 저지하도록 구성된 복수의 상부 스토퍼가 형성되고,
    상기 하부 케이스의 하단부에는 상기 적어도 하나 이상의 원통형 전지셀을 상부 방향으로 저지하도록 구성된 복수의 하부 스토퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모듈 케이스에는 상하 방향으로 개방된 형태이고 상기 복수의 중공관 중 외측에 위치한 중공관들과 연결되며 상기 복수의 원통형 전지셀을 수평 방향으로 둘러싼 형태를 가진 외벽이 구비되고,
    상기 복수의 상부 스토퍼 및 하부 스토퍼 중, 어느 하나 이상은 일측에 위치한 외벽에서 타측에 위치한 외벽까지 연장 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상부 스토퍼 또는 상기 하부 스토퍼의 연장된 방향에 위치한 외벽은, 상기 제1 프레임 또는 상기 제2 프레임의 측벽부와 대면하도록 위치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 상기 측벽부 및 상기 본체부에는 내부 방향 또는 외부 방향으로 융기된 비딩 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 케이스의 상단면 및 하단면 중 어느 하나 이상에는 내부 방향으로 내입된 고정홈이 구비되고,
    상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임 각각의 본체부에는 상기 고정홈에 삽입되도록 외부 방향으로 돌출 연장된 삽입부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 제1 프레임의 상부를 덮도록 위치된 상부 플레이트;
    상기 제2 프레임의 하부를 상부 방향으로 지지하도록 위치된 하부 플레이트; 및
    상단부가 상기 상부 플레이트와 결합되고 하단부가 상기 하부 플레이트와 결합되며 상하 방향으로 개방된 형태의 팩 하우징을 더 포함하고,
    상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트에는 상기 모듈 케이스에 형성된 고정홈에 삽입되도록 내측 방향으로 돌출 연장된 고정부가 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 디바이스.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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